CD-5049.pdf

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y
AGROINDUSTRIA
DISEÑO DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE CARBÓN
ACTIVADO MEDIANTE ACTIVACIÓN FÍSICA A PARTIR DE
CUESCO DE COCO (Cocos nucifera L.)
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO
QUÍMICO
FAUSTO GIOVANNY MOSCOSO PINTO
[email protected]
DIRECTOR: ING. ERNESTO DE LA TORRE
[email protected]
Quito, agosto del 2013
© Escuela Politécnica Nacional (2013)
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo, Fausto Giovanny Moscoso Pinto, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi
autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación
profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en
este documento.
La
Escuela
Politécnica
Nacional
puede
hacer
uso
de
los
derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_____________________________
Fausto Giovanny Moscoso Pinto
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Fausto Giovanny Moscoso Pinto,
bajo mi supervisión.
________________________
Ing. Ernesto de la Torre Chauvín
DIRECTOR DE PROYECTO
AUSPICIO
La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto (DEMEX-PIS
01-10), que se ejecutó en el Departamento de Metalurgia Extractiva.
AGRADECIMIENTO
A Dios, motor de mi vida, por estar a cada momento y en cada paso que he dado.
Por apoyarme en los momentos difíciles y nunca dejarme rendir para alcanzar mis
sueños.
A mi familia, apoyo incondicional siempre, por enseñarme que el cielo es el límite.
Que no hay nada imposible en la vida y por aprender junto a ellos las cosas más
importantes: responsabilidad, fe, unión pero más importante que todo, amor.
A todas las personas que de alguna u otra manera han formado por estos 6 años
parte de mi vida: mis compañeros de clases, mis amigos IBEQUIS, los históricos,
los amigos del cole que han estado ahí a pesar de mi ingratitud y falta de tiempo.
A mi familia DEMEX, que en este corto periodo de tiempo han demostrado un
mito que hasta ahora nunca he creído, la universidad es como el segundo hogar,
gracias por ayudarme, soportar mi modo de ser. Ustedes comprueban que la
familia que ora unida, permanece unida.
Un agradecimiento especial a Ernesto, que me ayudó de manera maratónica para
realizar este proyecto. Pero más que nada se convirtió en un padre para mí,
porque siempre me daba consejos de los pasos siguientes de mi vida y alguna
que otra insultada merecida.
DEDICATORIA
A mis padres, hermanos, tíos, abuelitos que forman parte de mi vida, que me han
enseñado a cumplir mis sueños y objetivos de vida.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
1.
PÁGINA
xvii
xix
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1
1.1
Propiedades químicas del cuesco de coco (Cocos nucifera L.)
1.1.1 La planta de coco: características botánicas
1.1.1.1 Raíz
1.1.1.2 Tallo
1.1.1.3 Fruto
1.1.2 Hábitat
1.1.3 Importancia y usos
1.1.4 Futuro
1.1.5 Composición química del cuesco de coco
1.1.5.1 Celulosa
1.1.5.2 Hemicelulosa
1.1.5.3 Lignina
1.1.6 Producción de coco en el Ecuador
1
1
1
2
2
3
3
4
4
6
7
7
9
1.2
Carbonización de materiales lignocelulósicos
1.2.1 Características físicas y químicas de la biomasa
1.2.1.1 Análisis Termogravimétrico (TGA)
1.2.1.2 Contenido de cenizas, volátiles y carbón fijo
1.2.2 Termodinámica de pirolisis
1.2.3 Modelos cinéticos de pirolisis
1.2.3.1 Modelos de una reacción global sencilla
1.2.3.2 Modelos de reacciones múltiples
1.2.3.3 Modelos semi-globales de reacción
1.2.3.4 Modelos centrados en la formación de los productos
1.2.4 Velocidad de reacción y cinética de reacción de pirólisis
11
11
12
15
15
17
18
19
20
21
21
1.3
Activación de carbón con CO2 y H2O
1.3.1 Carbón activado
1.3.1.1 Composición química del carbón activado
1.3.1.2 Estructura física del carbón activado
1.3.1.3 Porosidad
1.3.2 Producción de carbón activado
1.3.2.1 Activación Química
1.3.2.2 Activación Física
1.3.2.3 Diferencias entre Activación Física y Activación
Química
1.3.3 Activación Física con Dióxido de Carbono y vapor de agua
1.3.3.1 Termodinámica de las reacciones de gasificación
1.3.3.2 Cinética de Activación. Modelo de conversión continua
1.3.4 Velocidad de reacción de la activación de carbón con dióxido de
carbono y vapor de agua
25
25
25
26
27
28
29
30
31
32
34
34
36
ii
2.
PARTE EXPERIMENTAL
2.1
2.2
2.3
Caracterización física y química del cuesco de coco, proveniente de San
Lorenzo, Esmeraldas
2.1.1 Caracterización química de la materia prima
2.1.1.1 Determinación de Humedad
2.1.1.2 Determinación del contenido de ceras, grasas y resinas
solubles en alcohol-benceno
2.1.1.3 Determinación del contenido de celulosa
2.1.1.4 Determinación del contenido de lignina
2.1.1.5 Contenido de volátiles, cenizas y Carbón fijo
2.1.2 Reducción de tamaño y determinación del tamaño de partícula
2.1.3 Caracterización Física de la materia prima
2.1.3.1 Densidad Real
2.1.3.2 Determinación de la dureza y densidad aparente
2.1.4 Análisis termogravimétrico de la materia prima
2.1.5 caracterización de la estructura de la materia prima
Evaluación de la influencia de la temperatura y el tiempo sobre la
carbonización del cuesco de coco en el horno piloto Nichols Herreshoff
mono solera
2.2.1 Pruebas a nivel de laboratorio
2.2.2 Pruebas a escala piloto en el horno piloto Nichols Herreshoff mono
solera
2.2.2.1 Determinación de la temperatura de carbonización del
cuesco de coco en el horno piloto Nichols Herreshoff
mono solera
2.2.2.2 Determinación del tiempo de carbonización del cuesco
de coco en el horno piloto Nichols Herreshoff mono
solera
2.2.2.3 Determinación del rendimiento de carbonización del
cuesco de coco en el horno piloto Nichols Herreshoff
mono solera
Evaluación de la influencia del tiempo de activación física con vapor de
agua en la producción de carbón activado de cuesco de coco en el horno
piloto
2.3.1 Activación física con vapor de agua en el horno Nichols Herreshoff
mono solera
2.3.2 Determinación de la superficie específica del carbón activado, por
medio del Índice de yodo
2.3.3 Caracterización del carbón activado
2.3.3.1 Índice de Azul de metileno
2.3.3.2 Índice de decoloración de azúcar
2.3.3.3 Titulación Boehm
2.3.3.4 Caracterización de la morfología del carbón activado
37
39
39
40
41
42
42
43
44
45
45
46
46
47
47
47
48
49
50
50
51
51
52
53
53
54
55
56
iii
2.4
2.5
3.
Definición del diagrama de flujo y dimensionamiento de los equipos
principales para la producción de 10 t/mes de carbón de cuesco de coco
56
Evaluación de la pre-factibilidad económica de la planta para una
producción de 10 t/mes
59
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1
3.2
Caracterización física y química del cuesco de coco, proveniente de San
Lorenzo, Esmeraldas
3.1.1 Muestreo de la materia Prima
3.1.2 Determinación del tamaño de partícula obtenido luego de la
molienda con molino de martillos
3.1.3 Caracterización Química
3.1.3.1 Determinación de humedad, contenido de ceras, grasas y
aceites, celulosa y lignina del cuesco de coco
3.1.3.2 Determinación del contenido de cenizas, volátiles y
carbón fijo
3.1.4 Caracterización Física
3.1.5 Análisis termogravimétrico de la materia prima
3.1.6 Caracterización de la Estructura de la materia prima
Evaluación de la influencia de la temperatura y el tiempo sobre la
carbonización del cuesco de coco en el horno piloto Nichols Herreshoff
mono solera
3.2.1 Pruebas a nivel de laboratorio
3.2.1.1 Análisis de la densidad aparente y densidad real del
carbón de cuesco de coco producido a nivel de
laboratorio
3.2.1.2 Análisis de dureza del carbón de cuesco de coco
producido a nivel de laboratorio
3.2.1.3 Análisis de contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo
del carbón de cuesco de coco producido a nivel de
laboratorio
3.2.1.4 Relación entre el carbón fijo y la dureza del carbón de
cuesco de coco producido a nivel de laboratorio
3.2.1.5 Rendimiento de la carbonización del cuesco de coco a
diferentes temperaturas y tiempos a nivel de laboratorio
3.2.2 Pruebas a escala piloto en el horno piloto Nichols Herreshoff mono
solera
3.2.2.1 Determinación de la temperatura de carbonización del
cuesco de coco en el horno piloto Nichols Herreshoff
mono solera
3.2.2.2 Determinación del tiempo de carbonización del cuesco
de coco en el horno piloto Nichols Herreshoff mono
solera
3.2.2.3 Determinación del rendimiento de carbonización del
cuesco de coco en el horno piloto Nichols Herreshoff
mono solera
60
60
60
61
62
62
63
64
65
67
68
68
69
70
71
73
75
76
76
80
85
iv
3.3
3.4
3.5
4.
Evaluación del tiempo para producir un carbón activado de cuesco de
coco que tenga el mayor índice de yodo y superficie específica, por
medio de activación física con vapor de agua en el horno Nichols
Herreshoff mono solera.
3.3.1 Determinación de la superficie específica del carbón activado, por
medio del Índice de yodo
3.3.2 Análisis de contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo del carbón
activado de cuesco de coco producido en el horno Nichols
3.3.3 Caracterización del carbón activado.
3.3.3.1 Índice de Azul de metileno
3.3.3.2 Índice de decoloración de azúcar
3.3.3.3 Titulación Boehm
3.3.3.4 Caracterización de la morfología del carbón activado
85
85
88
90
90
91
93
94
Definición del diagrama de flujo y dimensionamiento de los equipos
principales para la producción de 10 t/mes de carbón de cuesco de coco
3.4.1 Cinética de los procesos de activación y carbonización
3.4.1.1 Cinética de carbonización
3.4.1.2 Cinética de activación
3.4.2 Diseño Conceptual y diseño de equipos
3.4.2.1 Estimación de la cantidad de cuesco de coco necesario
para la producción de carbón activado
3.4.2.2 Dimensionamiento del horno rotatorio
3.4.2.3 Dimensionamiento de la sección de reducción y
clasificación de tamaño de la materia prima
3.4.2.4 Dimensionamiento de la sección de reducción y
clasificación de tamaño del carbón activado producido
3.4.2.5 Dimensionamiento de la cámara de enfriamiento
3.4.2.6 Dimensionamiento del caldero
3.4.2.7 Dimensionamiento de los tanques de reserva de
combustible
3.4.2.8 Dimensionamiento de la cámara de post-combustión
3.4.2.9 Dimensionamiento del lavador de gases de combustión
112
113
114
Evaluación de la factibilidad económica de la planta para una producción
de 10 t/mes
117
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
97
97
98
100
102
102
104
108
110
110
111
120
4.1
Conclusiones
120
4.2
Recomendaciones
122
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
123
ANEXOS
133
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
5
Tabla 1.1
Composición química del cuesco de coco
Tabla 1.2
Composición química de celulosa, Hemicelulosa y lignina en el
cuesco de coco, según varios autores
6
Tabla 1.3
Composición química de algunas fibras lignocelulósicas
9
Tabla 1.4
Producción de coco en el Ecuador durante los últimos 9 años
10
Tabla 1.5
Contenido de cenizas, volátiles y carbón fijo del cuesco de coco
según varios autores
15
Tabla 1.6
Composición química del carbón activado
26
Tabla 1.7
Tipos de poros según su radio
26
Tabla 1.8
Índice de yodo del carbón activado de cuesco de coco por
activación física según varios autores
33
Normas Tappi aplicadas a la caracterización química de la
Materia Prima
40
Tamices empleados para la realización
granulométrico de los materiales molido
45
Tabla 2.1
Tabla 2.2
Tabla 2.3
del
ensayo
Reactivos que se usaron para la determinación del índice de
yodo en carbón activado según la norma NTE INEN 1 988:94
(1995c)
52
Datos para la elaboración de la curva de calibración de azul de
metileno
54
Reactivos que se usaron para la titulación Boehm de carbón
activado según el procedimiento descrito por Goertzen, et al.,
(2010, p. 1 253)
55
Tabla 3.1
Datos promedios del muestreo realizado a las conchas de coco
60
Tabla 3.2
Tratamiento de datos para ensayo de granulometría de cuesco de
coco después del proceso de reducción de tamaño con una
trituradora de mandíbulas
61
Tabla 3.3
Composición química de la materia prima
63
Tabla 3.4
Contenido de cenizas, volátiles y carbón fijo de la materia prima
64
Tabla 2.4
Tabla 2.5
vi
Tabla 3.5
Propiedades Físicas del cuesco de coco
64
Tabla 3.6
Porcentaje de dureza de varias materia primas según Yusufu, et
al., (2012, p. 128), modificado
72
Datos obtenidos de contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo
del cuesco de coco carbonizado a diferentes temperaturas y
tiempos. Pruebas de laboratorio
72
Datos obtenidos del rendimiento del cuesco de coco carbonizado
a diferentes temperaturas y tiempos. Pruebas de laboratorio
75
Datos obtenidos de contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo
del cuesco de coco carbonizado a diferentes temperaturas.
Pruebas piloto en el horno Nichols
77
Índice de yodo y dureza del carbón activado de cuesco de coco
con vapor de agua en el Horno Nichols a 850 ºC
86
Índice de yodo y dureza del carbón activado de cuesco de coco
con vapor de agua en el Horno Nichols a 950 ºC
86
Índice de azul de metileno para los carbones activados
producidos a 150 min
91
Índice de decoloración de azúcar para los carbones activados
producidos a 150 min
92
Grupos funcionales oxigenados de las muestras de carbón
activado durante 150 min, datos obtenidos mediante titulación
Boehm
93
Valores cinéticos de la reacción de pirolisis del cuesco de coco,
obtenidos a partir de la Figura 3.27
99
Valores cinéticos de la reacción de activación del carbón de
cuesco de coco activado con vapor de agua obtenidos a partir de
las Figuras 3.29 y 3.30
102
Dimensiones del horno rotatorio para producir carbón activado
de cuesco de coco mediante activación física con vapor de agua
104
Número de Froude y regímenes de movimiento de material
sólido
105
Requerimientos Energéticos del horno rotatorio para la
producción de carbón activado de cuesco de coco
107
Tabla 3.7
Tabla 3.8
Tabla 3.9
Tabla 3.10
Tabla 3.11
Tabla 3.12
Tabla 3.13
Tabla 3.14
Tabla 3.15
Tabla 3.16
Tabla 3.17
Tabla 3.18
Tabla 3.19
vii
Tabla 3.20
Composición de los gases de salida del horno
108
Tabla 3.21
Especificaciones de la trituradora de mandíbulas usada para la
reducción de tamaño del cuesco de coco
109
Especificaciones de la trituradora de mandíbulas usada para la
reducción de tamaño del cuesco de coco
110
Tabla 3.23
Dimensiones de la cámara de enfriamiento
111
Tabla 3.24
Dimensiones del caldero para el vapor de agua que activará el
carbón de cuesco de coco
112
Tabla 3.25
Dimensiones de los tanques de reserva de combustible
112
Tabla 3.26
Dimensiones de la cámara de post-combustión
113
Tabla 3.27
Composición de los gases de salida del horno
114
Tabla 3.28
Composición de los gases de salida del horno
114
Tabla 3.29
Dimensiones del lavador de gases de combustión
114
Tabla 3.30
Resumen de los flujos que intervienen en el proceso de
producción de carbón activado de cuesco de coco mediante
activación física con vapor de agua
115
Tabla 3.31
Distribución de la planta según la Figura 3.34
115
Tabla 3.32
Gastos de inversión
117
Tabla 3.33
Maquinaria y equipo usado en el proceso de implementación de
la planta
118
Tabla 3.34
Costos de materia prima e insumos
118
Tabla 3.35
Costos anuales de producción
119
Tabla 3.36
Indicadores económicos obtenidos para la producción de carbón
activado de cuesco de coco mediante activación física
119
Tabla AI.1
Dimensiones de la concha de coco tomadas en el muestreo
134
Tabla AII.1
Ensayo granulométrico del cuesco de coco triturado
135
Tabla AIII.1
Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y
carbón fijo de la materia prima
136
Tabla 3.22
viii
Tabla AIII.2
Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y
carbón fijo del cuesco de coco carbonizado a diferentes
temperaturas y tiempos
137
Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y
carbón fijo del cuesco de coco carbonizado a diferentes
temperaturas y tiempos
138
Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y
carbón fijo del cuesco de coco carbonizado a 500 ºC y diferentes
tiempos en el horno Nichols
139
Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y
carbón fijo del cuesco de coco carbonizado a 600 ºC y diferentes
tiempos en el horno Nichols
140
Tabla AIV.1
Ensayo de determinación de la densidad real de la materia prima
141
Tabla AIV.2
Ensayo de determinación de la densidad aparente y dureza de la
materia prima
141
Ensayo de determinación de la densidad real del cuesco de coco
carbonizado a diferentes temperaturas y tiempos a escala de
laboratorio
142
Ensayo de determinación de la densidad aparente y dureza del
cuesco de coco carbonizado a diferentes temperaturas y tiempos
a escala de laboratorio
143
Ensayo de determinación de la densidad aparente y dureza del
cuesco de coco carbonizado a 500 ºC y diferentes tiempos en el
horno Nichols
144
Ensayo de determinación de la densidad aparente y dureza del
carbón activado de cuesco de coco a 850 y 950 ºC a diferentes
tiempos en el horno Nichols
145
Ensayo de determinación del rendimiento del cuesco de coco
carbonizado a 400, 500 y 600 ºC
146
Rendimiento de la carbonización del cuesco de coco a 500 ºC y
30 min para el cuesco de coco
147
Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para determinar
la temperatura de carbonización del cuesco de coco en un perfil
de temperatura de 400 a 600 ºC
148
Tabla AIII.3
Tabla AIII.4
Tabla AIII.5
Tabla AIV.3
Tabla AIV.4
Tabla AIV.5
Tabla AIV.6
Tabla AV.1
Tabla AV.2
Tabla AVI.1
ix
Tabla AVI.2
Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para determinar
el tiempo de carbonización de cuesco de coco para una
temperatura constante de 500 ºC
149
Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para determinar
el tiempo de carbonización de cuesco de coco para una
temperatura constante de 600 ºC
150
Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para activar el
carbón de cuesco de coco a 950 ºC con un flujo constante de
vapor de agua de 40 kg/h
151
Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para activar el
carbón de cuesco de coco a 950 ºC con un flujo constante de
vapor de agua de 40 kg/h
152
Determinación del índice de yodo para el carbón activado
producido a 850 ºC mediante activación física con vapor de agua
153
Determinación del índice de yodo para el carbón activado
producido a 950 ºC mediante activación física con vapor de agua
154
Tabla AVIII.1 Determinación de la curva de calibración de la absorbancia para
la determinación del índice de azul de metileno para carbón
activado
155
Tabla AVI.3
Tabla AVI.4
Tabla AVI.5
Tabla AVII.1
Tabla AVII.2
Tabla AIX.1
Tabla AIX.2
Tabla AX.1
Tabla AX.2
Tabla AX.3
Tabla AX.4
Tabla AXI.1
Tabla AXI.2
Determinación del índice de decoloración de azúcar del carbón
activado producido a escala piloto en el horno Nichols
156
Titulación Boehm para determinar los grupos funcionales del
carbón activado producido a escala piloto en el horno Nichols
157
Datos obtenidos para la elaboración de la curva TGA del cuesco
de coco
158
Datos obtenidos para la elaboración de la curva TGA del cuesco
de coco
158
Datos calculados para la obtención de la pirolisis de
carbonización del cuesco de coco
159
Datos obtenidos para la determinación de la constante cinética
de activación a 850 y 950 ºC
160
Datos obtenidos para la determinación del ángulo de reposo del
cuesco de coco
161
Calores de formación estándar de los compuestos en la
combustión del GLP
163
x
Tabla AXI.3
Calores de reacción de los compuestos que conforman el GLP
163
Tabla AXI.4
Condiciones iniciales del caldero
171
Tabla AXI.5
Pérdidas en los equipos
171
Tabla AXI.6
Composición del diésel II
171
Tabla AXI.7
Composición de los gases
175
Tabla AXI.8
Balance de energía de los gases de salida
180
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1
PÁGINA
Partes de la fruta de coco, corte transversal de un coco de
6 meses
3
Figura 1.2
Estructura química de la celulosa
7
Figura 1.3
Estructura de una unidad fenilpropano
8
Figura 1.4
Corte transversal del cuesco de coco con el microscopio óptico a
20 grados de aumento F = fibra, L = laguna
10
Secuencia de reacciones de pirolisis de biomasa, esquema
propuesto por Evans y Milne (1987, p. 136, modificado)
12
Curva TGA y DTGA de los biopolímeros presentes en el cuesco
de coco
13
Curva TGA y DTGA de una muestra de cuesco de coco y de una
mezcla artificial con los componentes puros
13
Estudio comparativo del TGA (a) y DTGA (b) de muestras de
cuesco de coco (CcNS), cuesco de marañón (CNS) y pellets de
madera (WP)
14
Pirolisis de lignina, celulosa y hemicelulosa tomadas con un
DSC
16
Representación Esquemática de la estructura porosa del carbón
activado, clasificación de los poros según su tamaño (w=
dimensión característica del poro)
28
Diagrama general de la producción de carbón activado por
activación física
31
Figura 1.12
Modelo de conversión progresiva
35
Figura 2.1
Metodología empleada para la obtención de carbón activado de
alta dureza a partir de cuesco de coco
38
Fotografía del secado de las conchas de coco en la terraza a
temperatura ambiente
39
Figura 2.3
Fotografía del cuesco de coco triturado hasta d80 = 5 cm
44
Figura 2.4
Esquema del crisol que fue llevado a la mufla SEPOR INC para
carbonizar el cuesco de coco
48
Figura 1.5
Figura 1.6
Figura 1.7
Figura 1.8
Figura 1.9
Figura 1.10
Figura 1.11
Figura 2.2
xii
Figura 2.5
Fotografía del Horno Nichols Herreshoff mono solera y su
esquema
48
Composición de los gases de combustión del propano a 0,72
ATM (presión atmosférica de Quito)
49
Figura 3.1
Curva TGA y DTGA de la muestra de cuesco de coco
66
Figura 3.2
Fotografías MEB del cuesco de coco seco a diferentes grados de
aumento: a) 500, b) 1 000, c) 2 000 y d) 3 000
67
Densidad aparente del cuesco de coco carbonizado en función
del tiempo a diferentes temperaturas. Pruebas de laboratorio
69
Densidad real del cuesco de coco carbonizado en función del
tiempo a diferentes temperaturas. Pruebas de laboratorio
70
Porcentaje de dureza del cuesco de coco carbonizado en función
del tiempo a diferentes temperaturas. Pruebas de laboratorio
71
Porcentaje de carbón fijo y dureza del cuesco de coco en función
del tiempo para 400 ºC. Pruebas de laboratorio
73
Porcentaje de carbón fijo y dureza del cuesco de coco en función
del tiempo para 500 ºC. Pruebas de laboratorio
74
Porcentaje de carbón fijo y dureza del cuesco de coco en función
del tiempo para 600 ºC. Pruebas de laboratorio
74
Porcentaje de carbón fijo en función de la temperatura,
comparación entre pruebas a nivel laboratorio y pruebas piloto
en el horno Nichols para el cuesco de coco carbonizado
78
Porcentaje de cenizas en función de la temperatura, comparación
entre pruebas de laboratorio y pruebas piloto en el horno
Nichols para el cuesco de coco carbonizado
79
Porcentaje de volátiles en función de la temperatura,
comparación entre pruebas de laboratorio y pruebas piloto en el
horno Nichols para el cuesco de coco carbonizado
79
Contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo del cuesco de coco
carbonizado a 500 ºC en función del tiempo. Pruebas en el horno
Nichols
80
Contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo del cuesco de coco
carbonizado a 600 ºC en función del tiempo. Pruebas en el horno
Nichols
81
Figura 2.6
Figura 3.3
Figura 3.4
Figura 3.5
Figura 3.6
Figura 3.7
Figura 3.8
Figura 3.9
Figura 3.10
Figura 3.11
Figura 3.12
Figura 3.13
xiii
Figura 3.14
Figura 3.15
Figura 3.16
Figura 3.17
Figura 3.18
Figura 3.19
Figura 3.20
Figura 3.21
Figura 3.22
Figura 3.23
Figura 3.24
Figura 3.25
Contenido de carbón fijo en función del tiempo a las posibles
temperaturas de carbonización del cuesco de coco. Pruebas en el
horno Nichols
82
Porcentaje de dureza en función del tiempo a las posibles
temperaturas de carbonización del cuesco de coco. Pruebas en el
horno Nichols
82
Densidad aparente en función del tiempo a las posibles
temperaturas de carbonización del cuesco de coco. Pruebas en el
horno Nichols
83
Porcentaje de dureza en función del carbón fijo, del cuesco de
coco carbonizado a 500 ºC obtenido en las pruebas piloto en el
horno Nichols a diferentes tiempos
84
Porcentaje de dureza en función del carbón fijo, del cuesco de
coco carbonizado a 600 ºC obtenido en las pruebas piloto en el
horno Nichols a diferentes tiempos
84
Contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo en función del
tiempo para una temperatura de 850 ºC. Pruebas en el horno
Nichols
88
Contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo en función del
tiempo para una temperatura de 950 ºC. Pruebas en el horno
Nichols
89
Porcentaje de dureza e índice de yodo en función del carbón fijo
para el carbón activado de cuesco de coco mediante activación
física con vapor de agua a 850 ºC
89
Porcentaje de dureza e índice de yodo en función del carbón fijo
para el carbón activado de cuesco de coco mediante activación
física con vapor de agua a 950 ºC
90
Fotografía de las soluciones finales de azul de metileno a las
cuales se midió la absorbancia
92
Fotografías MEB del cuesco de coco carbonizado diferentes
grados de aumento: a) 350 y b) 750
94
Fotografías MEB del carbón activado de cuesco de coco a 850
ºC y 150 min a diferentes grados de aumento: a) 2 000, b) 3 500
c) 4 000 y d) 8 000
95
xiv
Figura 3.26
Figura 3.27
Fotografías MEB del carbón activado de cuesco de coco a 950
ºC y 150 min a diferentes grados de aumento: a) 2 000, b) 4 000
y c) 8 000
ௗఈ
݈݊ሺௗ௧ൈሺଵିఈሻሻ en función de െͳȀܶ para los datos obtenido de la
curva TGA del cuesco de coco
Figura 3.28
݈݊ሺ
ௗఈ
ௗ௧ൈሺଵି௔ మ ሻ
ሻ en función de െͳȀܶ para los datos obtenido de la
curva TGA del cuesco de coco
96
98
99
݀ߙȀ݀‫ ݐ‬en función de ͳ െ ߙ para los datos obtenido del
porcentaje de carbón fijo en el carbón activado de cuesco de
coco a 850 ºC
100
݀ߙȀ݀‫ ݐ‬en función de ͳ െ ߙ para los datos obtenido del
porcentaje de carbón fijo en el carbón activado de cuesco de
coco a 950 ºC
101
Diagrama de bloques del proceso de producción de carbón
activado de cuesco de coco mediante activación física con vapor
de agua
103
Esquemas de los diferentes regímenes de movimiento de
material sólido al interior de un horno, modificado
106
Esquema de las paletas presentes en el horno rotatorio para que
se produzca la reacción de activación entre el carbón y el vapor
de agua
106
Figura 3.34
Vista de la planta de producción de cuesco de coco
116
Figura AI.1
Dimensiones de la concha de coco tomadas en el muestreo
134
Figura AII.1
Curva granulométrica para procesadores plásticos molidos
135
Figura 3.29
Figura 3.30
Figura 3.31
Figura 3.32
Figura 3.33
Figura AVII.1 Índice de yodo del carbón activado producido a 850 ºC mediante
activación física con vapor de agua en función del tiempo de
activación
153
Figura AVII.2 Índice de yodo del carbón activado producido a 950 ºC mediante
activación física con vapor de agua en función del tiempo de
activación
154
Figura AVIII.1 Curva de calibración de la absorbancia para la determinación del
índice de azul de metileno para carbón activado
155
Figura AXI.1
Datos obtenidos para la determinación del ángulo de reposo del
cuesco de coco
161
xv
Figura AX.2
Diagrama de bloques del proceso de reducción y clasificación
166
Figura AXI.3
Diagrama de la pila stock
167
Figura AXI.4
Diagrama de bloques del caldero
172
Figura AXI.5
Diagrama del tanque de reserva de GLP
177
xvi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO I
Muestreo de las conchas de coco
134
ANEXO II
Determinación del d80 para la materia prima molida en la trituradora de mandíbulas
135
ANEXO III
Fichas técnicas de densidad real, densidad aparente y dureza
136
ANEXO IV
Fichas técnicas contenido de volátiles cenizas y carbón fijo
141
ANEXO V
Fichas técnicas de rendimiento
146
ANEXO VI
Fichas técnicas del uso del horno Nichols Herreshoff mono solera
148
ANEXO VII
Fichas técnicas de determinación del índice de yodo del carbón activado producido
153
ANEXO VIII
Curva de calibración de la absorbancia para la determinación del índice de azul de
metileno para carbón activado
155
ANEXO IX
Fichas técnicas de caracterización del carbón activado producido
156
ANEXO X
Determinación de la cinética de carbonización y activación
158
ANEXO XI
Dimensionamiento de equipos
161
xvii
RESUMEN
Se estudia la producción de carbón activado a partir de cuesco de coco mediante
activación física con vapor de agua, para esto se realizaron pruebas a nivel de
laboratorio en una mufla SEPOR INC y pruebas a nivel piloto en el horno Nichols
Herreshoff mono solera bajo atmósfera reductora (λ < 1). Se caracterizó la materia
prima para determinar las propiedades que favorecen la formación de carbón:
contenido de celulosa, lignina, humedad, dureza y carbón fijo.
Se determinó el tiempo de carbonización y la temperatura de pirolisis a partir de la
relación entre el porcentaje de carbón fijo y la dureza en función del tiempo y el
tiempo de activación a partir de la superficie específica por medio del índice de
yodo.
Se determinó que la temperatura de carbonización del cuesco de coco es de
500 ºC y el tiempo de pirolisis de 30 min producidos en el horno Nichols
Herreshoff mono solera debido al porcentaje de carbón fijo producido (72,72 %) y
la alta dureza (92,89 %).
El carbón activado producido a 950 ºC durante 150 min en el horno Nichols
Herreshoff posee grandes propiedades adsortivas, tiene un índice de yodo de
1 371 mg I2/g CA, índice de azul de metileno de 20,41/100 g CA y un índice de
decoloración de azúcar de 139 UBR, lo que significa que es un material
extremadamente poroso.
Con los datos de la carbonización obtenidos en el equipo de termogravimetría se
obtuvo la cinética de pirolisis. La constante cinética fue 1,60 min-1 y un tiempo de
conversión de 24,85 min.
La constante cinética de activación en el horno Nichos Herreshoff con un flujo
constante de vapor de 40 kg/h fue de 62,18 cm3gas·mol-1·s-1 para una temperatura
de 850 ºC y 56,53 cm3gas·mol-1·s-1 para 950 ºC.
xviii
Con estos parámetros definidos se diseñó una planta de producción de carbón
activado para una producción de 10 t/mes. Se diseñó un horno rotatorio que
carbonice y active el cuesco y el caldero que proporcione el vapor para la
activación.
Se realizó un estudio económico preliminar de la implementación de la planta. Se
determinó que con una inversión de 125 000 USD, se tendría una Tasa Interna de
Retorno (TIR) del 18 % con un Valor Actual Neto (VAN) de 22 000,26 USD,
calculados a un horizonte de 10 años, lo que significa que el proceso es rentable.
xix
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, un problema de gran magnitud que afecta al planeta de forma
directa es la alta generación de desechos y la carencia de tratamientos integrales
que permitan aprovecharlos. El cuesco de coco es la parte dura del endocarpio de
la fruta, representa del 80 al 85 % de ésta y actualmente es un desecho
agroindustrial (Rosa, et al., p. 1).
Entre los principales usos que se pueden dar a estos desechos está la producción
de carbón activado, el mismo que da un valor agregado a la materia prima,
además de ayudar en la reutilización del cuesco, y lo más importante, da una
alternativa de menor costo que le hace competitivo en el mercado (MuthulakshmiAndal y Sakthi, 2010, p. 968).
Para la producción de carbón activado es necesario partir de una materia prima
que tenga propiedades bien definidas: dureza, estructura inherente de poros, alto
contenido de carbono, bajo contenido de ceniza y relativamente alto rendimiento
(alrededor del 30 %) durante el proceso de carbonización (Ioannidou y Zabaniotou,
2007, p. 1 998; Prauchner y Rodríguez-Reinoso, 2012, p. 164).
El carbón activado es un material altamente adsorbente, que se prepara a partir
de materiales con altos contenidos de materia orgánica como: lignina, celulosa, o
simplemente carbón (mineral). Se caracteriza por poseer una alta superficie
específica, variedad de grupos funcionales y una buena distribución de poros.
Estas propiedades, le permiten atrapar una gran diversidad de moléculas
(Bandosz, 2006, p. 5). Generalmente se lo usa en procesos de: descontaminación
de aguas, recuperación de solventes, control de emisiones, decoloración de
líquidos, eliminación de olores, recuperación de metales preciosos entre otros,
debido a sus propiedades adsortivas (Ioannidou y Zabaniotou, 2007, p. 1 981). La
creciente demanda de este tipo de materiales obliga a la búsqueda de nuevas
fuentes de materias primas, que tengan gran disponibilidad y bajo costo.
xx
El objetivo general del presente proyecto de titulación consiste en el diseño de
una planta de producción de 10 t/mes de carbón activado de cuesco de coco
mediante activación física con vapor de agua. Para esto es importante encontrar
las mejores condiciones de carbonización y activación para en lo posible
agruparlos en un solo sistema de calentamiento. Además de garantizar que el
carbón activado producido tenga propiedades adsortivas y una dureza
relativamente alta para el uso principalmente en la industria de la recuperación de
minerales.
1
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
En este capítulo se presenta la información obtenida de la investigación
bibliográfica realizada acerca de las propiedades químicas del cuesco de coco
(Cocos nucifera L.) como materia prima, la carbonización de materiales
lignocelulósicos y la activación del carbón con monóxido de carbono (CO 2) y
vapor de agua.
1.1 PROPIEDADES QUÍMICAS DEL CUESCO DE COCO (Cocos
nucifera L.)
1.1.1 LA PLANTA DE COCO: CARACTERÍSTICAS BOTÁNICAS
La palmera de coco (Cocos nucifera L.) pertenece a la familia Arecaceae, la
misma que tiene aproximadamente 3 000 especies. Entre ellas se destacan: la
palma de aceite (Elaeis guineensis) y una gran variedad de nueces (Litz, 2005,
p. 89).
El coco tal vez sea la más representativa palmera a nivel mundial, debido a su
contribución económica, sobre todo en países tropicales (Parrota, 2000, p. 152;
Tomlinson, Horn y Fisher, 2011, p. 203). La mayor utilidad que tiene esta planta
es para la producción de aceite (Tomlinson, et al., 2011, p. 203), el mismo que se
encuentra en el endospermo (Abraham y Mathew, 1963, p. 505). A continuación
se detallan las partes de la planta:
1.1.1.1 Raíz
Son una serie de ramificaciones directamente pegadas al tallo de la palmera. El
árbol no tiene una raíz principal, esto hace que se sujete de mejor manera a los
arenales y que pueda captar la mayor cantidad de nutrientes (Litz, 2005, p. 90).
2
1.1.1.2 Tallo
El tallo de la palmera es ensanchada en la base, carece de ramificaciones, crece
entre 30 cm a 1 m cada año, dependiendo de varios factores como: edad,
cantidad de humedad y temperatura. Llega a crecer hasta 20 m de altura (Parrota,
2000, p. 152) y un grosor de 30 a 45 cm (Bruzos, 2012). En la parte superior, se
encuentra un conjunto de aproximadamente 20 hojas (Litz, 2005, p. 90).
1.1.1.3 Fruto
La palma de coco es una especie monocotiledónea. Bajo condiciones favorables,
la planta comienza a florecer a partir de los 6 años de edad. Cada palmera
madura produce más de 40 frutos cada año (Litz, 2005, p. 91; Parrota, 2000,
p. 152).
El fruto consta de 3 partes: el exospermo, que es la parte más gruesa y fibrosa,
en cuyo interior se encuentra el endospermo, la parte sólida de la fruta. Cuando
madura se la denomina copra (Bruzos, 2012; Haas y Wilson, 1985, p. 6).
Entre el exospermo y el endospermo, se encuentra el endocarpio, el mismo que
cuando madura, se convierte en la nuez o cuesco del coco (Abraham y Mathew,
1963, p. 509). Cuando el fruto es inmaduro, el endospermo posee gran cantidad
de líquido interno, el agua de coco. A medida que madura, el agua se seca y
aumenta la cantidad de aceite, por lo que se vuelve amargo.
El cuesco de coco es la parte dura del endospermo de la fruta. Es un desecho
agroindustrial abundante, ya que representa del 80 al 85 % del mismo (Rosa, et
al., 2001, p. 1). Se puede hacer con este material: artesanías, tazas, cucharas,
floreros, entre otros (Parrota, 2000, p. 156), además es un gran material para
realizar carbón para filtros de agua. La Figura 1.1 muestra las partes del fruto.
3
1.1.2 HÁBITAT
El árbol del coco crece en el trópico y en casi todas las zonas tropicales donde
haya gran cantidad de arenales (Parrota, 2000, p. 152). El clima donde se
desarrolla esta palmera es cálido tropical, con una temperatura promedio entre 27
a 35 ºC, con precipitaciones medias entre 1 200 y 2 300 mm anuales. Aunque
puede crecer en ecosistemas de mayor humedad y pluviosidad, estos pueden
afectar la producción. Para que el fruto se desarrolle óptimamente, es necesario
que la población de cocoteros sea de 100 palmeras por hectárea (Parrota, 2000,
p. 154).
Figura 1.1 Partes de la fruta de coco, corte transversal de un coco de 6 meses
(Abraham y Mathew, 1963, p. 509, modificado)
1.1.3 IMPORTANCIA Y USOS
La palma de coco, es conocida como el “árbol de la vida”, debido a su importancia
en la agricultura en zonas tropicales. De aproximadamente 11 millones de
hectáreas sembradas a nivel mundial, el 94 % se ubican en la zona asiática, y la
zona del Pacífico Sur (Litz, 2005, p. 91). Los mayores productores son: Filipinas,
Brasil, Sri Lanka, Tailandia, Papua Nueva Guinea, Vietnam y México.
4
El cascabillo de la fruta, al ser fibrosa y de baja densidad, puede ser usado para la
fabricación de: escobas, cuerdas, cepillos. Las hojas se usan como techos en
casas. El tallo se usa como madera en la construcción de casas o como
combustible.
Aunque cada parte de la palmera se puede usar, la mayor producción de coco, se
debe a la obtención de copra, del cual es extraído el aceite. Su agua se usa como
bebida refrescante. Además se extrae la savia del tallo para producir azúcar,
vinagre, y jarabe, para la posterior producción de alcohol (Haas y Wilson, 1985,
p. 6).
1.1.4 FUTURO
La palma de coco se ha convertido en un producto multipropósito, especialmente
por su fruto. Sin embargo, la plantación de esta palmera, ha sufrido y va a sufrir
una disminución gradual debido a (Litz, 2005, p. 92):
1. Decrecimiento de la producción, debido a la edad de las palmeras, la mayoría
de las plantaciones tiene una edad superior a 60 años.
2. Práctica de cultivos marginales que hacen que no se explote debidamente el
fruto.
3. Muchas enfermedades y pestes además del cambio climático que produce
grandes sequías en zonas de Asia y Pacífico Sur y grandes inundaciones en
toda América.
4. Bajos precios, a pesar de la gran calidad del aceite refinado.
1.1.5 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CUESCO DE COCO
La composición química de la cáscara de coco depende de varios factores, que
en primera instancia influencian el crecimiento de la planta y la producción del
fruto. Entre los factores más importantes están: época del año donde es
5
cosechada, cantidad de lluvia, composición de la arena, palmeras de coco por
hectárea. En la Tabla 1.1 se muestra un análisis químico del cuesco de coco, este
análisis fue realizado en los laboratorios de Embrapa, Fortaleza (Brasil) (Rosa, et
al., p. 4).
Como se observa en la Tabla 1.1, el material orgánico que posee el cuesco de
coco es significativo, lo que es muy importante para la producción de carbón
activado, o simplemente para su uso como combustible.
En el cuesco de coco se encuentran 3 biopolímeros que están presentes en casi
todos los materiales lignocelulósicos: lignina, celulosa y hemicelulosa. La Tabla
1.2 muestra la composición de estos 3 biopolímeros según varios autores.
Como se puede observar en la Tabla 1.2, la composición de estos biopolímeros
en el cuesco de coco es considerable; sin embargo, varía de acuerdo a cada
autor, lo que significa que varía de acuerdo al lugar donde es cosechado.
A continuación se presentará de mejor manera la estructura química y
propiedades de estas biomoléculas:
Tabla 1.1 Composición química del cuesco de coco
Elemento
[mg/kg]
Elemento
[mg/kg]
N
6 520
Zn
31,8
P
1 420
Mn
23,8
K
11 500
S
1 250
Ca
6 800
Materia orgánica*
72,58
Mg
1 790
C*
53,5
Na
12 500
H*
5,2
Fe
1 970
O*
40,3
Cu
6,6
*Expresado en porcentaje
(Rosa, et al., p.4, modificado)
6
Tabla 1.2 Composición química de celulosa, Hemicelulosa y lignina en el cuesco de coco,
según varios autores
Autor
Origen
Lignina
(%)
Celulosa
(%)
Hemicelulosa
(%)
Abdul-Khalil, Siti-Alwani y Mohd-Omar
(2006, p. 223)
Malasia
32,80
44,20
23,0*
Cagnon, Py, Guillot, Stoeckli y Chambat
(2009, p. 294)
ND**
46,00
14,00
32,0
México
49,00
43,00
8,0*
India
28,70
36,30
25,1
Indonesia
29,62
---
---
Prauchner y Rodríguez-Reinoso
(2012, p. 164)
Raveendran, Ganesh y Khilart
(1995, p. 1 813)
Warnijati, Agra y Sudjono
(1996, p. 935)
* Datos calculados, restando el porcentaje de lignina y celulosa del total
** No señalado en el trabajo
1.1.5.1 Celulosa
La celulosa es un biopolímero formado por monómeros de β-D-glucosa, los
mismos que se unen aproximadamente entre 2 500 a 3 000 por cada molécula
(Gomes, 2000, p. 56; Mogollón, García y León, 2008, p. 20). Es la sustancia que
permite que el tallo de la planta esté sostenido. Estas propiedades mecánicas se
deben a la linealidad del polímero, la misma que se aprecia en la Figura 1.2
(Mogollón, et al., 2008, p. 20); además forma fibras en los tallos y frutos (Grassino,
2003).
La unión entre moléculas de glucosa se da a través de los enlaces ß-1,4glucosídico, esto produce que la celulosa sea insoluble en agua (Hurtado y
Gonzáles, 2009). La mayor utilidad de la celulosa está en la elaboración de papel,
debido a su insolubilidad al agua y a disolventes simples como alcohol. Sin
embargo, es soluble en: ácidos, oxidantes y sobre todo microorganismos, lo que
le hace un polímero biodegradable (Mogollón, et al., 2008, p. 20).
7
Figura 1.2 Estructura química de la celulosa
(Grassino, 2003)
1.1.5.2 Hemicelulosa
Es un biopolímero más heterogéneo que la celulosa, de menor grado de
polimerización (solo se unen entre 150 a 200 monómeros). Son polímeros de 5
azúcares diferentes: 3 hexosas (glucosa, manosa y galactosa) y 2 pentosas
(xilosa y arabinosa). La Hemicelulosa actúa como soporte de la celulosa
(Mogollón, et al., 2008, p. 23).
1.1.5.3 Lignina
Después de la glucosa, la lignina es el polímero orgánico más abundante en las
plantas, generalmente a mayor cantidad de lignina, menor cantidad de celulosa
(Han, 1998, p. 4). La lignina es un polímero fenólico del fenilpropano, el mismo
que se puede apreciar en la Figura 1.3.
La naturaleza aromática del monómero hace que la lignina, al igual que la
celulosa, sea hidrófoba. La reticulación de los monómeros producen una rigidez y
gran resistencia mecánica a la fibra (Mogollón, et al., 2008, p. 23).
8
Figura 1.3 Estructura de una unidad fenilpropano
(Mogollón, et al., 2008, p. 23)
Los principales grupos funcionales encontrados en la lignina son (Otero, 1988,
p. 58):
5. Grupos metoxi (-OCH3): grupo más característico de las ligninas
6. Grupos Hidroxilo (-OH): vienen de naturaleza variada, pueden ser
provenientes de fenoles, alifáticos primarios, secundarios o terciarios.
7. Grupos carbonil y carboxil
8. Grupos éter (R-O-R), pueden ser de origen alifático o aromático
9. Enlaces dobles (-C=C-)
10. Grupos ésteres (-C-O-R)
La lignina es el mayor desecho no comercializado. Se estima que el planeta
produce 300 × 109 t anualmente con una tasa de biosíntesis de 20 × 109 t
(Argyropoulos y Menachem, 1998, p. 292).
Se ha demostrado que la lignina tiene un potencial considerable en cuanto a la
preparación de carbón activado (Rahman-Mohamed, Mohammadi y Najafpour
Darzi, 2010, p. 1592). La Tabla 1.3 muestra la composición química de algunas
fibras lignocelulósicas según Abdul-Khalil, et al., (2006, p. 233).
9
Tabla 1.3 Composición química de algunas fibras lignocelulósicas
Palma
Coco
Hojas
de piña
Tallo de
plátano
Madera
Blanda
Madera
Dura
Solubles en
alcohol-benceno (%)
4,5
6,4
5,5
10,6
0,2-8,5
0,1-7,7
Holocelulosa (%)
83,5
56,3
80,5
65,2
60-80
71-89
Lignina (%)
20,5
32,8
10,5
18,6
21-37
14-34
Ceniza (%)
2,4
2,2
2,0
1,5
<1
<1
(Abdul-Khalil, et al., 2006, p. 223, modificado)
La Tabla 1.3 muestra que la cantidad de lignina que tienen las fibras de coco es
mayor, lo que provoca que estas fibras sean rígidas y de alta dureza, comparadas
con otras fibras.
La lignina actúa como cementante (aglutinante) de las cadenas de celulosa
unidas. Una buena combinación de estos biopolímeros dan a la planta una
flexibilidad y resistencia (Abdul-Khalil, et al., 2006, p. 223; Gomes, 2000, p. 56).
A diferencia de otros biopolímeros, la lignina no tiene una estructura química
definida, los monómeros de fenilpropano no están unidos de alguna manera
sistemática. La frecuencia de los grupos funcionales y su respectivo porcentaje
varían considerablemente entre las diferentes especies vegetales (Mogollón, et al.,
2008, p. 24). Finalmente la Figura 1.4 señala la tinción de la lignina con azul de
toluidina, para determinar la concentración de este biopolímero en las paredes
celulares del cuesco de coco, muestra realizada por Abdul-Khalil, et al., (2006, p.
225).
1.1.6 PRODUCCIÓN DE COCO EN EL ECUADOR
La producción de coco en el Ecuador no ha sido regular debido a: fenómenos del
Niño duros en la costa, cultivos artesanales con poco uso de tecnología. A pesar
de estos inconvenientes, su obtención es considerable. La Tabla 1.4 muestra la
producción de materia prima en los últimos 9 años (INEC, 2011).
10
Figura 1.4 Corte transversal del cuesco de coco con el microscopio óptico a 20 grados de
aumento F = fibra, L = laguna
(Abdul-Khalil, et al., 2006, p. 225)
Tabla 1.4 Producción de coco en el Ecuador durante los últimos 9 años
Año
Producción (t)
2004
4 606
2005
8 106
2006
8 240
2007
9 206
2008
4 893
2009
3 686
2010
6 082
2011
3 193
(INEC, 2011)
De la cantidad de coco producido en el Ecuador en el 2011, casi 700 t son
cosechadas en Esmeraldas y otras 1 700 en las provincias de: Manabí, Santo
Domingo de los Tsáchilas y Guayas según el INEC (2011), lo que representa un
75 % de la producción nacional.
11
1.2 CARBONIZACIÓN DE MATERIALES LIGNOCELULÓSICOS
Los materiales lignocelulósicos son una parte de la biomasa que incluye las
sustancias biológicas que provienen de plantas.
La biomasa hace referencia a todos los materiales que provienen de organismos
vivos, excluyendo los combustibles de origen fósil y el gas natural. Muchos de
estos compuestos están siendo investigados para producir “energías limpias” a
partir de su combustión (Biomass Energy Centre, 2011).
1.2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LA BIOMASA
Según las características físicas y químicas de cada tipo de biomasa, se pueden
obtener diferentes fracciones de materia volátil y sólida para las mismas
condiciones de procesamiento. La Figura 1.5 muestra una secuencia de
reacciones de pirolisis según la fase, el mismo que fue propuesto por Evans y
Milne (1987, p. 134).
Dentro de las características físicas de la biomasa, el tamaño de grano tiene una
influencia importante en la carbonización. Entre mayor sea el tamaño, mayor es el
tiempo necesario para que la cantidad de volátiles abandonen la partícula.
Igualmente, un mayor tamaño de partículas, genera la presencia de gradientes
térmicos (Gómez, Klose y Rincón, 2008, p. 33).
La ceniza y los extractos presentes en la biomasa como aceites o metales,
catalizan las reacciones de carbonización e influyen en la distribución de las
fracciones de sus productos. Finalmente, la presencia de fracciones mayores de
lignina en la biomasa genera mayores fracciones de material carbonizado en la
pirolisis (Gómez, et al., 2008, p. 33).
12
* Incluye tanto la biomasa sólida como sus formas plásticas o elásticas anteriores a la ruptura principal de los
enlaces covalentes, para producir vapores de bajo peso molecular o líquidos.
** Solo se muestran los productos formados inicialmente. Todos estos productos pueden condensarse a
líquidos y sólidos
Figura 1.5 Secuencia de reacciones de pirolisis de biomasa, esquema propuesto por Evans
y Milne (1987, p. 136, modificado)
1.2.1.1 Análisis Termogravimétrico (TGA)
El análisis termogravimétrico (TGA) indica la descomposición de una muestra
debido al calor (temperatura). Cagnon, et al., (2009) realizaron un estudio en el
que comparan los datos producidos del cuesco de coco con una mezcla artificial
de los 3 biopolímeros presentes en éste, el mismo que se presenta en la Figura
1.6 (p. 294).
La Figura 1.6 muestra que la celulosa y hemicelulosa presentan una pérdida más
significante que la lignina, esto se debe a la cantidad de oxígeno que poseen los
biopolímeros, en el caso de la celulosa y hemiceulolsa llega al 50 % mientras que
solo 30 % en la lignina. Con esto se observa que la lignina es la biomolécula de
mayor aportación en la formación de carbón, ya que no posee una
descomposición significativa.
13
Figura 1.6 Curva TGA y DTGA de los biopolímeros presentes en el cuesco de coco
(Cagnon, et al., 2009, p. 294)
Figura 1.7 Curva TGA y DTGA de una muestra de cuesco de coco y de una mezcla
artificial con los componentes puros
(Cagnot, et al., 2009, p. 294)
14
El pico obtenido a 298 ºC corresponde a la carbonización de la hemicelulosa y el
de 368 ºC corresponde a la celulosa y lignina en la Figura 1.7 para la muestra de
cuesco de coco. La Figura 1.8 obtenida por Tsamba, Yang y Blasiak, (2006) es
una comparación entre cuesco de coco, cuesco de nuez de marañón (Anacardium
occidentale) y pellets hecho con madera (p. 526).
La Figura 1.8 señala que el cuesco de coco es el que menor porcentaje de
pérdida de masa presenta globalmente. Entre los 200 a 400 ºC los pellets de
madera tienen una pérdida menor que los demás materiales. Sin embargo, de 400
a 900 ºC el coco tiene menor porcentaje de pérdidas de peso.
También señala unos picos más prominentes para los pellets de madera, mientras
que las nueces tienen picos más pequeños, sin embargo el cuesco de marañón
(CS) presenta una descomposición más grande en el pico de la Hemicelulosa
(300 ºC) y un menor en el pico de la lignina (400 ºC).
Figura 1.8 Estudio comparativo del TGA (a) y DTGA (b) de muestras de cuesco de coco
(CcNS), cuesco de marañón (CNS) y pellets de madera (WP)
(Tsamba, et al., 2006, p. 526)
15
1.2.1.2 Contenido de cenizas, volátiles y carbón fijo
A pesar de que se elabore carbón con el mismo material precursor, la
composición varía significativamente como se muestra en la Tabla 1.5 extraída de
varios autores.
Tabla 1.5 Contenido de cenizas, volátiles y carbón fijo del cuesco de coco según varios
autores
Autor
Cenizas
(%)
Volátiles
(%)
Carbón fijo
(%)
Bastidas, Buelvas, Márquez y Rodríguez
(2009, p. 91)
1,30
68,70
30,00
Li, Yanga, Penga, Zhanga, Guoa y Xia
(2008, p. 192)
0,74
78,30
20,96
Prauchner y Rodríguez-Reinoso
(2012, p. 164)
1,00
---
---
Tsamba, et al., (2006, p. 525)
0,70
74,9
24,4
Warnijati, et al., (1996, p. 935)
0,83
---
---
Yusufu, Ariahu e Igbabul. (2012, p.
124)
3,50
---
---
El cuesco de coco, por la cantidad de volátiles, lignina y celulosa, es apto para la
producción de carbón activado, además la mínima composición de ceniza es
importante a la hora de impregnarlo con algún metal.
1.2.2 TERMODINÁMICA DE PIROLISIS
La pirolisis de biomasa generalmente es una reacción endotérmica a
temperaturas menores de 280 ºC, donde la reacción se torna exotérmica. Además
el incremento de presión, favorece la reacción.
La pirolisis es un proceso térmicamente inducido y por lo tanto se debe aplicar el
calor suficiente para que se produzcan las reacciones. La Figura 1.9 muestra la
16
energía de reacción de los principales materiales lignocelulósicos, a través de un
escáner diferencial de calor (DSC, por sus siglas en inglés).
Figura 1.9 Pirolisis de lignina, celulosa y hemicelulosa tomadas con un DSC
(Yang, Yan, Chen, Lee y Zheng, 2007, p. 1 784, modificado)
Las Ecuaciones 1.1 a 1.9 muestran las reacciones más importantes que se dan
en la pirolisis de cualquier material lignocelulósico y su respectivo calor de
reacción (Lewis y Ablow, 1980, p. 303). Algunas reacciones son endotérmicas
(signo positivo), por lo que requieren calor para que se produzcan, el mismo que
se obtiene de una fuente externa o de la energía que producen las otras
reacciones. Los gases que se producen son: vapor de agua, CO 2, CO, H2 y CH4.
C + O2 ¾
¾® CO2
ΔH = - 94,05 (kcal/mol)
[1.1]
1
C + O2 ¾
¾® CO
2
ΔH = - 26,40 (kcal/mol)
[1.2]
C + CO2 ¾
¾® 2CO
ΔH = 41,25 (kcal/mol)
[1.3]
1
CO + O2 ¾
¾® CO2
2
ΔH = - 67,65 (kcal/mol)
[1.4]
1
¾® H 2 O
H 2 + O2 ¾
2
ΔH = - 57,80 (kcal/mol)
[1.5]
C + H 2O ¾
¾® H 2 + CO
ΔH = 31,40 (kcal/mol)
[1.6]
17
C + 2H 2O ¾
¾® 2 H 2 + CO2
ΔH = 21,55 (kcal/mol)
[1.7]
CO2 + H 2 ¾
¾® CO + H 2 O
ΔH = 9,85 (kcal/mol)
[1.8]
C + 2H 2 ¾
¾® CH 4
ΔH = -17,9 (kcal/mol)
[1.9]
Algunos datos experimentales obtenidos por Lewis y Ablow (1980), señalan que el
metano se encuentra en los gases de salida en concentraciones más altas de las
previstas por la constante de equilibrio del beta-grafito, este compuesto es el que
reacciona para formar poros (p. 302), además advierten la presencia de
alquitranes, pero en menores proporciones.
1.2.3 MODELOS CINÉTICOS DE PIROLISIS
La complejidad y la variación en la composición química de los diferentes tipos de
biomasa, además de la gran cantidad de variables del proceso, producen una
gran variedad de productos en la pirolisis (Gómez, et al., p. 32).
El aspecto menos conocido de la pirolisis son las interacciones entre las fases
volátiles y sólidas, que producen reacciones secundarias exotérmicas. La
velocidad de calentamiento baja y moderada sin la evacuación rápida de la fase
volátil de la zona de reacción, permite un contacto prolongado de esta fase con el
producto sólido. Generalmente, a mayor velocidad de calentamiento, mayores son
las diferencias entre las temperaturas del reactor y las temperaturas de la
biomasa que se procesa (Gómez, et al., 2008, p. 36).
En la descomposición térmica de la biomasa se presentan una variedad infinita de
reacciones químicas sucesivas, paralelas y competitivas. Para facilitar el estudio
de la pirolisis es necesario realizar algunas simplificaciones que contemplan la
descripción de la reacción o las reacciones que limitan la tasa global de reacción.
La interpretación más plausible para la cinética global es asumir que existe una
fase limitante en la que la reacción tiene una alta energía de activación dentro de
18
un mecanismo complejo de reacción (Várhegyi, Antal Jr., Jakab y Szabó, 1997,
p. 82).
Según Evans y Milne (1987), algunas de las posibles transformaciones que
pueden contribuir a la fase limitante en la velocidad de reacción son (p. 136):
·
Disminución del grado de polimerización.
·
Rompimiento intermolecular en los enlaces de hidrógeno para formar una
estructura de menor rigidez, además de una zona de transición (vidriosa).
·
Formación de un reactivo intermedio, producto del rompimiento de la glucosa,
puede ser una especie libre o iónica (con carga).
·
Algún tipo de conversión interna en la conformación molecular de la estructura
de la biomasa, principalmente con los componentes mayoritarios (lignina,
celulosa y hemicelulosa).
La búsqueda del mecanismo real de reacción tiene un gran interés científico, ya
que contribuye al diseño y optimización de reactores para obtener productos
deseados, controlando de mejor manera las variables de la reacción. Un paso en
la búsqueda de los mecanismos reales de reacción ha sido la formulación de
secuencias, a través de modelos con hipótesis que abarcan desde el nivel
molecular hasta el nivel fenomenológico (Gómez, et al., 2008, p. 39). Dentro de
los modelos que se han propuesto se puede hacer una clasificación:
1.2.3.1 Modelos de una reacción global sencilla
Los modelos de este tipo utilizan una reacción de un paso y una energía de
activación, como se aprecia en la Ecuación 1.10. Para poder usarlo, se requiere
de una masa final de carbonizado.
Estos modelos han sido empleados ampliamente en la descripción de la velocidad
de reacción de la celulosa. Se asume que la degradación térmica de la biomasa
es la suma de la descomposición de sus componentes (hemicelulosa, celulosa,
lignina) (Cagnon, et al., 2009, p. 296).
19
Sin embargo, estos modelos no permiten la predicción del comportamiento de
generación de los productos de la pirolisis en función de la temperatura, debido a
que se establece una relación fija en las ecuaciones para determinar los
parámetros cinéticos de reacción. Este inconveniente ha motivado la presentación
de modelos semi-globales que intentan superar estas dificultades (Gómez, et al.,
2008, p. 40). Algunos autores han usado este modelo: Órfao, Antunes y
Figueireido (1999, p. 352); Várhegyi et al., (1997, p. 78).
[1.10]
Carbonizado + gas
Celulosa
1.2.3.2 Modelos de reacciones múltiples
Estos modelos fueron formulados según los cambios estructurales de la celulosa
durante la pirolisis y de acuerdo a los productos obtenidos mediante su proceso.
Estos modelos consideran 2 reacciones paralelas (Tsamba, et al., 2006, p. 524),
los mismos que se indican en la Ecuación 1.11. La principal es de deshidratación,
la misma que es responsable de la formación de material carbonizado.
A esta reacción también se asocian la producción de CO, CO 2 y H2O. La otra
reacción toma lugar a través de la despolimerización y conduce a la formación de
materia
volátil
condensable,
especialmente
de
levoglucosano
(1-6
deshidroglucosa) (Gómez, et al., 2008, p. 40).
1
Carbonizado + gas
Celulosa
Gas
[1.11]
2
Brea
20
1.2.3.3 Modelos semi-globales de reacción
Estos modelos describen la secuencia de las reacciones durante la pirolisis
empleando un esquema de tres reacciones independientes y paralelas, de los
componentes de la biomasa (hemicelulosa, celulosa y lignina) y hacen uso
simultáneamente de un modelo cinético para la formación de los productos (gases,
condensados y sólidos). La Ecuación 1.12 representa el modelo de reacciones
semi-globales.
Intentan relacionar las características químicas de la biomasa con la formación de
las fracciones de los productos de la pirolisis. Los estudios suponen reacciones de
primer orden para describir la descomposición de cada fracción y la formación de
productos líquidos, gaseosos y sólidos (Vamvuka, Kakaras, Kastanaki y
Grammelis, 2003, p. 1 951).
Gas + Volátil
Materia Virgen
1
Producto
Intermedio
2
3
[1.12]
Brea
Algunos autores como Broido-Shafizadeh, denominan a este producto intermedio
como celulosa activa. Para esto, se considera que la mayoría de la materia virgen
es celulosa (Várhegyi, et al., 1997, p. 78).
La Ecuación 1.13 muestra el modelo de reacciones propuesto por BroidoShafizadeh, que es una modificación de la Ecuación 1.12.
Gas + Volátil
2
Celulosa
1
Celulosa Activa
3
[1.13]
Brea
21
1.2.3.4 Modelos centrados en la formación de los productos
Estos modelos asumen reacciones paralelas separadas para describir la
formación y distribución de productos, pero no se considera la composición
química de la biomasa, como se puede observar en la Ecuación 1.14.
Este tipo de modelos permite la predicción del comportamiento de la generación
de los productos en función de las variables del proceso como: incremento de
temperatura y tasa de calentamiento. Sin embargo, no intentan representar
mecanismos reales de reacción, simplemente son una herramienta útil en la
solución de problemas de ingeniería relativos al diseño de reactores y procesos
(Gómez, et al., p. 41).
Gas
Biomasa
Brea
[1.14]
Carbonizado
1.2.4 VELOCIDAD DE REACCIÓN Y CINÉTICA DE REACCIÓN DE
PIRÓLISIS
La velocidad de reacción es la variación de la cantidad de sustancia en función
del tiempo. La expresión general de la velocidad de reacción se encuentra dada
por la Ecuación 1.15 (Fogler, 2006, p. 7):
æ dC ö
ri = ç i ÷
è dt ø
Donde:
ri: velocidad de reacción
Ci: concentración inicial
t: tiempo
[1.15]
22
Para reacciones homogéneas la reacción ocurre en todo el volumen disponible de
tal manera que la velocidad de reacción se puede expresar usando la Ecuación
1.16 (Fogler, 2006, p. 39):
ri =
1 æ dh i ö
÷
ç
V è dt ø
[1.16]
Donde:
ri: velocidad de reacción
V: volumen disponible
h i : moles de la componente i
Una ecuación cinética señala la relación entre la velocidad de reacción y las
variables de operación, puede ser temperatura, moles de reactivo o producto,
presión, entre otros. Sin embargo, la ley de la velocidad de reacción, se puede
reducir a una simple ecuación algebraica, introduciendo la constante cinética de
reacción, como se indica en la Ecuación 1.17 (Fogler, 2006, p. 7).
æ dC ö
ri = ç i ÷ = kCin
è dt ø
[1.17]
Donde:
ri: velocidad de reacción
k: constante cinética
n: orden de la reacción
El término “n” describe la probabilidad de que dos moléculas se encuentren y
reaccionen para formar el producto. El término “k” es función de la temperatura
según la ecuación de Arrhenius, descrita según la Ecuación 1.18 (Fogler, 2006, p.
92).
23
k (T ) = A ´ e
æ Ea ö
÷
çè RT ø
[1.18]
Donde:
A: factor de frecuencia
Ea: energía de activación
R: constante cinética de los gases
T: temperatura (K)
En esta ecuación se considera una energía de activación que se define como el
calor necesario para que los reactivos se transformen en productos, mientras que
el factor de frecuencia señala la probabilidad de que un átomo choque contra otro
para formar los productos, según la teoría de colisiones (Fogler, 2006, p. 92).
En lo que respecta a la cinética de reacción de pirolisis, se modifica la Ecuación
1.17 para formar la Ecuación 1.19.
da
n
= k (1 - a )
dt
[1.19]
Donde el término “α” se denomina extensión de la reacción (Nachenius, Ronsse,
Venderbosch y Prins, 2013, p. 82; Tsamba, et al., 2006, p. 524). Este término se
define comparando la cantidad de biomasa sólida, en base seca que ha sido
convertida a carbón durante un periodo de tiempo, la misma que se encuentra
expresada en la Ecuación 1.20. De acuerdo a esta ecuación, α tiene un valor
entre 0 (biomasa) a 1 (carbón puro).
a=
w0 - w
w0 - w f
[1.20]
24
Donde:
w0: masa inicial
w: masa a un tiempo dado (t) y
wf: masa sólida después de que no se haya percibido una pérdida considerable de
masa.
Reemplazando la Ecuación 1.19 en la Ecuación 1.18, se obtiene la Ecuación 1.21
(Quek y Balasubramanian, 2012, p. 3; Tsamba, et al., p. 524; White, Catallo y
Legendre, 2011, p. 5). Esta ecuación es aplicable para procesos isotérmicos.
æ Ea ö
ç÷
da
n
= A ´ e è RT ø ´ (1 - a )
dt
[1.21]
Si se realizan proceso a una velocidad de calentamiento constante se modifica la
Ecuación 1.21 y se obtiene la Ecuación 1.22.
æ Ea ö
÷
çda
n
b
= A ´ e è RT ø ´ (1 - a )
dT
[1.22]
Donde β representa la velocidad de calentamiento en ºC/min. Si se desea
linealizar se aplica el logaritmo natural a la expresión y se modifica la Ecuación
1.22 para obtener la Ecuación 1.23.
æ da ö
ç
÷
é Aù
Ea
ln ç dt n ÷ = + ln ê ú
RT
ç (1 - a ) ÷
ëb û
ç
÷
è
ø
೏ഀ
೏೟
[1.23]
ଵ
Si se grafica ݈݊ ቆ ሺଵିఈሻ೙ ቇ ܸ‫ ݏ‬െ de la Ecuación 1.23 se puede obtener la Energía
்
de Activación y el factor de frecuencia (White, et al., 2011, p. 7). Posteriormente
con la Ecuación 1.18 definida la temperatura se obtiene la constante cinética de
reacción.
25
1.3 ACTIVACIÓN DE CARBÓN CON CO2 Y H2O
A pesar que en la carbonización se produce una microporosidad en sistemas
macromoleculares orgánicos como la biomasa debido a la ruptura y volatilización
de biopolímeros, estos no aprovechan completamente el potencial de adsorción
del material, lo que no lo hace comercialmente aplicable.
Esto conduce hacia una necesidad de ampliar la porosidad existente para incluir
microporos más amplios y algunos mesoporos que sirvan como “transporte” de
las moléculas a ser adsorbidas (Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006, p. 243). Es
ahí cuando nace el concepto de un carbón “poroso”, también llamado carbón
activado.
1.3.1 CARBÓN ACTIVADO
El término “carbón activado” se aplica al material carbonoso amorfo que posee
alta porosidad y una gran área superficial (Balcı, 1992, p. 20; De la Torre y
Guevara, 2005, p. 104).
Según Gupta (2008), el carbón activado es un material carbonoso que tiene una
variedad de grupos funcionales, entre otros: radicales carboxilos, aldehídos y
otros tipos de grupos funcionales orgánicos, así como metales. Estos grupos
funcionales, determinan las interacciones del material con ciertas moléculas tanto
líquidas como gaseosas (p. 24).
1.3.1.1 Composición química del carbón activado
El carbón activado, químicamente hablando, es carbono prácticamente puro. La
composición química del carbón activado se muestra en la Tabla 1.6 (Yahşi, 2004,
p. 29):
26
Tabla 1.6 Composición química del carbón activado
Elemento
Composición
(%)
Carbón
85 – 90
Oxígeno
6
Hidrógeno
0,5
Nitrógeno
0,5
Azufre
1
Cenizas
5-6
(Yahşi, 2004, p. 29)
1.3.1.2 Estructura física del carbón activado
El carbón activado posee una estructura microcristalina que se parece al grafito,
la misma que da lugar a una porosidad bien determinada donde se pueden
distinguir 3 tipos de poros según su radio (IUPAC, 1985, p. 606), los mismos que
se muestran en la Tabla 1.7.
Tabla 1.7 Tipos de poros según su radio
Tipo de poro
Tamaño
(nm)
Macroporo
r > 25
Mesoporo
25 > r > 1
Microporo
r<1
(IUPAC, 1985, p. 606)
Análisis realizados a diversos carbones activados mediante rayos X sugieren dos
estructuras básicas (De la Torre y Guevara, 2005, p. 106):
·
Pequeñas regiones de cristalitos elementales, compuestos de capas
relativamente paralelas de átomos de carbono ordenados hexagonalmente
en forma reticular
27
·
Una desordenada estructura reticular de átomos de carbono ubicados en
arreglos hexagonales, la cual es más pronunciada en carbones producidos
de materiales con elevados contenidos de oxígeno.
1.3.1.3 Porosidad
El carbón activado tiene una gran variedad de tamaños de poros, los cuales
pueden clasificarse de acuerdo a su función, en poros de adsorción y de
transporte (De Willbert, 2008, p. 6; Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006, p. 224).
Los poros de transporte tienen un rango muy amplio de tamaño. En algunos
casos son grietas detectables por la vista (0,1 mm). Solo un extremo ejerce
atracción sobre el adsorbato y entonces lo hace con una fuerza menor, o incluso
insuficiente para retenerlo. Actúan como caminos de difusión por los que circula la
molécula hacia los poros de adsorción en los que hay una atracción mayor. Por lo
tanto, aunque tiene poca influencia en la capacidad del carbón activado, afectan a
la cinética con la que se lleva a cabo la adsorción (De Willbert, 2008, p. 7).
Los poros de adsorción consisten en espacios entre 1 y 5 veces el diámetro de la
molécula que va a retenerse. Los extremos del poro están lo suficientemente
cerca como para ejercer atracción sobre el adsorbato y retenerlo con mayor
fuerza (De Willbert, 2008, p. 7). Se dividen en: macroporos, mesoporos y
microporos.
Los macroporos atrapan moléculas grandes, por ejemplo las que tienen grupos
funcionales clorados o con elementos de gran tamaño de molécula. Los
mesoporos son apropiados para moléculas intermedias y los microporos tienen un
tamaño adecuado para retener moléculas pequeñas que pueden ser compuestos
más volátiles que el agua, ideales para adsorber: olores, sabores y solventes
(López, 2004, p.11; Yahşi, 2004, p. 3). Sin embargo, es necesario decir que todos
los carbones activados poseen en menor o mayor cantidad las 3 clases de poros.
28
La distribución del tamaño del poro depende fundamentalmente de tres factores:
el origen de la materia prima, el tipo de activación y la duración del proceso de
activación. La Figura 1.10 muestra un esquema de la estructura porosa del carbón
activado (Bandosz, 2006, p. 5).
Figura 1.10 Representación Esquemática de la estructura porosa del carbón activado,
clasificación de los poros según su tamaño (w= dimensión característica del poro)
(Bandosz, 2006, p. 5)
Por lo tanto la capacidad de un carbón activado para retener una determinada
sustancia no solo depende de su área superficial, sino también de la proporción
de poros internos que tenga dicho carbón y del tamaño de los mismos (IUPAC,
1985, p. 606).
1.3.2 PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO
Para la elaboración de carbón activado se han utilizado algunas materias primas,
principalmente carbones de mina. Sin embargo, ante el exceso de residuos
agroindustriales como: cáscaras y semillas de frutas, aserrín y astillas de madera,
bagazos, entre otros, éstos se han tornado una materia prima alternativa para la
producción (Balcı, 1992, p. 8; Hernández-Montoya, García-Servin y Bueno-López,
2012, p. 27). En la selección de la materia prima, la cantidad de biomasa que se
puede convertir en carbón activado, producto del desecho, es tan importante
como la calidad y el costo de la misma (Balcı, 1992, p. 9).
29
La producción de carbón activado a partir de materiales lignocelulósicos es un
proceso relativamente sencillo, además para la producción se aplican técnicas
amigables al medio ambiente (Cagnon, et al., 2009, p. 293; Rahman-Mohamed, et
al., 2010, p. 1592).
Se han realizado varios estudios para producir carbón activado de desechos
producidos por la industria agrícola, materiales como: cáscaras de maní (Mantilla,
1993, p. 36), cuesco de palma (Bt Fuadi, Saadi Ibrahim y Nor Ismail, 2012, p, 225;
Joseph, Bono, Krishnaiah, Yee Ling y Chiew Ban, 2009, p. 3 131; Wan Nik,
Rahman, Yusof, Ani, y Che Adnan, 2006, p. 646), cáscaras de almendras (Balcı,
1992, p. 45), semillas de durazno (Soto, 2007, p. 38), cáscaras de albaricoque
(Yahşi, 2004, p. 50) y cuesco de coco (Achaw y Afrane, 2008, p. 285; Prauchner y
Rodríguez-Reinoso, 2012, p. 164; Warnijati, et al., 1996, 934; Yusufu, et al., 2012,
p. 124), entre muchos más, han sido estudiados con resultados aceptables.
La producción de carbón activado se da a partir de 2 procesos principales: una
carbonización en ausencia de oxígeno y una activación. En el primer proceso, se
forman grandes poros en la materia prima, sin embargo, estos no son suficientes
para adsorber muchas de la partículas (Achaw y Afrane, 2008, p. 285; Prauchner
y Rodríguez-Reinoso, 2012, p. 164).
Por esta razón es necesario el proceso de activación, donde por medio de altas
temperaturas, o la adición de algún químico como catalizador, se produce una
gran cantidad de poros en el carbón (Prauchner y Rodríguez-Reinoso, 2012, p.
164). Existe 2 principales procesos de activación: la activación física o térmica y la
activación química, los mismos que se detallan brevemente a continuación:
1.3.2.1 Activación Química
La activación química consiste en carbonizar la materia prima, con la adición de
sustancias que restringen la formación de brea y forman poros (Prauchner y
Rodríguez-Reinoso, 2012, p. 163).
30
La activación química se usa casi exclusivamente para materiales lignocelulósicos.
Los agentes activantes influencian el procesos de pirolisis, por lo que se obtienen
buenos resultados de rendimiento. Además, la temperatura necesaria para activar
el carbón es menor, comparándola con la que se requiere para activarlo mediante
procesos físicos. El carbón activado químicamente, tiene mayor tendencia a
formar microporos (Balcı, 1992, p. 13; Prauchner y Rodríguez-Reinoso, 2012, p.
170).
Entre los reactivos que se usan para activar tenemos: ácido fosfórico (H3PO4),
cloruro de zinc (ZnCl 2) (Prauchner y Rodríguez-Reinoso, 2012, p. 164), hidróxido
de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH) y carbonatos como el de potasio y
sodio (K2CO3 y Na2CO3) (Hernández-Montoya, et al., 2012, p. 25).
1.3.2.2 Activación Física
La activación se lleva a cabo en 2 etapas: en la etapa inicial, cuando el “burn-off”
o índice de combustión no supera el 10 %, el carbón se quema y desorganiza
preferentemente a los poros cerrados. Esto produce que se expongan al agente
activante.
El efecto que se vuelve cada vez más significante es el ensanchamiento de poros
ya existentes o la formación de nuevos de mayor tamaño por la quema fuera de
las paredes adyacentes de los microporos (Yahşi, 2004, p. 24).
A bajas temperaturas, la reacción se da lentamente; sin embargo, el aumentarla
tampoco es una opción, debe ser adecuadamente elegida para que sea el factor
determinante de la velocidad de reacción (Ioannidou y Zabaniotou, 2007, p. 1 970).
Esto conduce a que las reacciones se produzcan en la región interior del carbón,
así se da el agrandamiento de poros. A temperaturas más altas, el factor
controlante se vuelve la reacción química, esta se produce en el exterior del poro
(Levenspiel, 1986, p. 406; Yahşi, 2004, p. 24).
31
Generalmente la carbonización y la activación son procesos separados en la
producción (Wei, Li y Yaping, 2006, p. 266); sin embargo, estudios e
investigaciones recientes señalan un incremento en la tendencia de producir
hornos que puedan hacer los 2 procesos simultáneamente (Luna, González,
Gordon y Martín, 2007, p. 45). La Figura 1.11 muestra un esquema del
procedimiento que se utiliza para la producción de carbón activado mediante
activación física.
Figura 1.11 Diagrama general de la producción de carbón activado por activación física
(Bandosz, 2006, p. 15, modificado)
El carbón producido es activado por medio de agentes que a pesar de reaccionar,
no se los considera químicos. Las sustancias comúnmente más usadas para
activarlo son: vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2) y oxígeno (O2). La
activación generalmente se produce a temperaturas entre 800 ºC hasta 1 100 ºC
(Hernández-Montoya, et al., 2012, p. 29; Prauchner y Rodríguez-Reinoso, 2012,
p. 164; Yahşi, 2004, p. 24).
1.3.2.3 Diferencias entre Activación Física y Activación Química
Prauchner y Rodríguez-Reinoso (2012) señalan que se puede producir carbón
activado de alta porosidad con cualquiera de los 2 métodos; sin embargo, las
propiedades específicas son muy diferentes, por lo que es necesario elegir el
método de activación de acuerdo a las propiedades que se desea dar al carbón
activado (p. 170).
32
La activación física, permite obtener una distribución de poro más precisa,
permitiendo que los poros del carbón activado producido sean más reducidos. El
problema es la densidad aparente, la misma que al tener poros muy pequeños,
disminuye considerablemente.
Por otro lado, la activación química permite mejorar la densidad aparente porque
elimina la formación de estos poros, lo que provoca un aumento en la capacidad
adsortiva volumétrica (Prauchner y Rodríguez-Reinoso, 2012, p. 170). Además
produce una disminución de pérdida de peso durante el proceso de activación, lo
que permite obtener carbón activado de mejores propiedades mecánicas y con
una gran cantidad de mesoporos (Prauchner y Rodríguez-Reinoso, 2012, p. 170).
Otra ventaja del proceso de activación química es la disminución considerable de
temperatura para la activación del carbón, lo que disminuye considerablemente el
costo de energía (Ioannidou y Zabaniotou, 2007, p. 1 972). Sin embargo, entre las
desventajas que presenta este proceso está: la eliminación de los agentes
químicos excedentes después de la carbonización y el tiempo de impregnación de
la materia prima con el agente químico, lo que implica un costo adicional (Balcı,
1992, p. 18).
1.3.3 ACTIVACIÓN FÍSICA CON DIÓXIDO DE CARBONO Y VAPOR DE
AGUA
El carbón necesita ser sintetizado ya que la porosidad producida en la etapa
previa de pirolisis no posee una cantidad considerable de mesoporos y
microporos (Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006, p. 8). Para esto se utilizan gases
como el vapor de agua y el CO2, los mismos que actúan como catalizadores y
reaccionan con el beta-grafito (sitios activos de carbón), para destapar poros
obstruidos y también para formar nuevos poros.
La pirolisis comienza a producirse a temperaturas entre 200 a 300 ºC, debido a la
producción de gases y material volátil producto de las reacciones. Además se
33
produce una reducción de la densidad aparente, con lo que Prauchner y
Rodríguez-Reinoso (2012) concluyen que existe una posible contracción de
partículas lo que restringe el desarrollo de una estructura porosa (p. 166).
La temperatura de adsorción confiere una elevada difusión de las moléculas de
CO2, lo que proporciona una mayor porosidad en menor tiempo. A 750 ºC bajo
atmósfera reductora se produce una disminución de la gasificación del carbón
producido, lo que se traduce en una variación casi constante de peso con
respecto al tiempo. Esta gasificación permite un desarrollo de un poro
rudimentario en el carbón. Posteriormente es necesario agregar un catalizador,
como por ejemplo vapor de agua, el cual reacciona con las paredes de los poros y
los ensancha. La Tabla 1.8 muestra algunos valores de índice de yodo producidos
a partir de cuesco de coco mediante activación física según varios autores.
Tabla 1.8 Índice de yodo del carbón activado de cuesco de coco por activación física
según varios autores
Autor
Temperatura
(ºC)
Tiempo
(h)
Agente
Activante
Índice de yodo
Achaw y Afrane
(2012, p. 165)
850
2
CO2
640
Fadhil y Deyab
(2008, p. 178)
800
1
CO2
655
Yusufu, et al.,
(2012, p. 128)
600
2
CO2
840,18
Las reacciones de activación de carbón con CO 2 o vapor de agua son
endotérmicas, necesitan grandes cantidades de calor (se realizan a temperaturas
entre 700 a 950 ºC), estas se muestran en la Ecuaciones 1.26, 1.27 y 1.28
(González, Román, González-García, Valente y Ortiz, 2009, p. 7 474). La reacción
de la Ecuación 1.26 está presente tanto en la activación con CO 2 como con vapor
de agua.
34
1.3.3.1 Termodinámica de las reacciones de gasificación
Las reacciones de gasificación del carbón se dan principalmente entre 800 a
1 000 ºC debido a que son endotérmicas bajo atmósferas con CO, CO2 o vapor de
agua según el calor de reacción señalado en las Ecuaciones 1.24 a 1.27. Las
reacciones del carbón con oxígeno (O2) son altamente exotérmicas, por lo que
este gas no es usado como agente activante para la producción de carbón
activado (Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006, p. 248).
k1
2C + CO2 ¾¾®
C + 2CO
ΔH = 41,25 (kcal/mol)
[1.24]
ΔH = - 41,25 (kcal/mol)
[1.25]
k3
C + H 2 O ¾¾®
H 2 + CO
ΔH = 31,40 (kcal/mol)
[1.26]
k4
CO + H 2 O ¾¾®
CO2 + H 2
ΔH = - 9,85 (kcal/mol)
[1.27]
k2
2CO ¾¾®
C + CO2
El carácter endotérmico de las reacciones de gasificación proporciona un control
más preciso de las condiciones experimentales en el horno. En algunas empresas
de carbón activado, el calor que se suministra es una mezcla de gases de
combustión y vapor de agua, lo que produce una activación con dióxido de carbón
y agua. En otras, los gases de activación son los producidos en la carbonización,
para sustituir combustibles; sin embargo, este último reduce significativamente el
rendimiento (Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006, p. 249).
1.3.3.2 Cinética de Activación. Modelo de conversión continua
Algunos autores como Kunii y Chikasu (2008) proponen un modelo de conversión
continua o progresiva para la activación de carbón con gases (p. 31). Levenspiel
(1986) define al proceso como una reacción en donde el gas penetra en “toda” la
partícula simultáneamente, por lo que el sólido se modifica de manera progresiva
como muestra la Figura 1.12 (p. 396).
35
Kunii y Chikasu (2008, p. 27) y Levenspiel (1986, p. 393) definen a las reacciones
de carbonización como reacciones sólido-fluido, las mismas que se pueden
representar por la Ecuación 1.28.
A(fluido) + bB (sólido) àProductos fluidos o sólidos
[1.28]
Kunii y Chikasu (2008) definen la velocidad de reacción según la Ecuación 1.29 (p.
31).
da B
= k r C A (1 - a B )
dt
[1.29]
Donde:
kr: es la constante cinética de la reacción
αB: es la extensión de la reacción, en este caso el porcentaje de carbón fijo
producido
CA: es la concentración del fluido
Figura 1.12 Modelo de conversión progresiva
(Levenspiel, 1968, p. 396)
36
1.3.4 VELOCIDAD DE REACCIÓN DE LA ACTIVACIÓN DE CARBÓN CON
DIÓXIDO DE CARBONO Y VAPOR DE AGUA
Las ecuaciones de velocidad de reacción para la activación del carbón con CO 2 y
vapor de agua respectivamente se representan en las ecuaciones 1.30 y 1.31
(Huang, et al., 2010, p. 843; Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006, p. 261).
k1 PCO2
r1 =
[1.30]
1 + k 2 PCO + k3 PCO2
La Ecuación 1.30 indica que la reacción se inhibe por el CO que reacciona con los
complejos de oxígeno del carbón de la superficie para formar CO2. Y este a su
vez, reacciona también con las biomoléculas que contienen oxígeno y forma
nuevos “sitios activos” (Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006, p. 261). Finalmente
esta reacción disminuye la gasificación.
r2 =
k 4 PH 2O
[1.31]
1 + k5 PH 2 + k6 PH 2O
Las reacciones producen una eliminación inminente de carbón, para abrir poros y
producir nuevos (Huang, et al., 2010, p. 846; Marsh y Rodríguez-Reinoso, 2006, p.
261). Huang, et al., (2010) proponen una velocidad de reacción que une las 4
reacciones, según 2 esquemas: el primero señala que tanto la activación con CO 2
y con vapor de agua ocurren en el mismo sitio activo del carbón, mientras que la
otra indica que se producen en sitios activos diferentes (p. 846), las reacciones
están dadas por las Ecuaciones 1.32 y 1.33.
r=
r=
k1 PCO2 + k 4 PH 2O
1 + k 2 PCO + k3 PCO2 + k5 PH 2 + k 6 PH 2O
k1 PCO2
1 + k 2 PCO + k3 PCO2
+
k 4 PH 2O
1 + k5 PH 2 + k 6 PH 2O
[1.32]
[1.33]
37
2. PARTE EXPERIMENTAL
El presente proyecto de investigación tuvo como objetivo producir carbón activado
a partir de cuesco de coco, mediante una carbonización y una posterior activación
física con vapor de agua, además del diseño de una planta de producción de
10 t/mes. A continuación, se presenta un breve resumen de la metodología
experimental utilizada.
El cuesco se secó durante una semana a temperatura ambiente (T≈18 ºC) en una
terraza, después fue reducido de tamaño y caracterizado. Se determinaron:
densidad aparente, densidad real y dureza, con la normativa INEN 1 989:94
(1995a), cantidad de celulosa, lignina y grasas solubles en alcohol.
La materia prima seca fue sometida a una carbonización a escala de laboratorio
bajo atmósfera reductora (λ < 1) a temperaturas de 400, 500 y 600 ºC en una
mufla SEPOR INC. Se tomaron muestras a 1, 1,5 y 2 h respectivamente para
cada temperatura, las mismas que fueron sometidas a una caracterización física y
química. Después se realizaron pruebas en el horno piloto Nichols Herreshoff
mono solera, para evaluar la influencia de la temperatura y tiempo sobre la
carbonización mediante la caracterización física y química del carbón producido.
Fijados la temperatura y tiempo de carbonización en el horno piloto Nichols
Herreshoff mono solera, se pirolizó la materia prima a 500 ºC durante 30 min para
posteriormente activar el carbón producido a una temperatura constante de 850 y
950 ºC respectivamente, con un flujo constante de vapor de agua (40 kg/h) y
atmósfera reductora (λ = 0,9). Se caracterizó el carbón activado producido y se
determinó el índice de yodo de cada muestra. A partir de los datos obtenidos se
determinó el tiempo de activación.
Con los datos obtenidos de la pirolisis y la activación se determinó la cinética de
cada proceso, para el diseño de una planta de producción de 10 t/mes. Se evaluó
la pre-factibilidad económica para su implementación. En la Figura 2.1 se
presenta un esquema de la metodología usada en este trabajo.
38
Figura 2.1 Metodología empleada para la obtención de carbón activado de alta dureza a
partir de cuesco de coco
39
2.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y QUÍMICA DEL CUESCO DE
COCO, PROVENIENTE DE SAN LORENZO, ESMERALDAS
En la presente investigación se utilizaron conchas de coco como materia prima.
Las mismas provienen de San Lorenzo (Esmeraldas) y son un residuo generado
en la producción de bebidas. Se obtuvieron aproximadamente 500 conchas a las
que se las secó alrededor de una semana a temperatura aproximada de 22 ºC
como se indica en la Figura 2.2. Una vez secas, se eligieron 30 conchas al azar
según la normativa INEN 1 233:95 (1995b), para determinar su respectivo
diámetro menor y mayor, espesor y peso.
Figura 2.2 Fotografía del secado de las conchas de coco en la terraza a temperatura
ambiente
La materia prima fue sometida a una caracterización para determinar las
propiedades químicas y físicas.
2.1.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA DE LA MATERIA PRIMA
Para la caracterización química de la materia prima se realizó, como
pretratamiento, un proceso de pulverización para reducir su tamaño hasta 74 µm
(malla 200), para esto se usó un pulverizador NAEF, cuya capacidad es de 100 g.
40
El pulverizador tiene una cámara cilíndrica de 14 cm de diámetro y una altura de
4,4 cm. Consta de dos partes móviles: un cilindro hueco de diámetro externo
12 cm, diámetro interno de 10,8 cm y un altura de 4,2 cm. La otra es un cilindro de
7 cm de diámetro y altura 4 cm. El pulverizador genera movimientos centrífugos
que permiten el proceso de reducción de tamaño.
A la materia prima pulverizada se le sometió a varios análisis para determinar el
contenido de: lignina, celulosa, aceites solubles en benceno y humedad. Para
esto se usó la normativa Tappi, aplicable a maderas. Cada norma se identifica en
la Tabla 2.1. Estas pruebas se realizaron en el Laboratorio de Pulpa y Papel de la
EPN. Los análisis se detallan a continuación:
Tabla 2.1 Normas Tappi aplicadas a la caracterización química de la Materia Prima
Análisis
Método
Bibliografía
Tappi T-412-M(6)
Tappi (1970a)
Solubilidad en alcohol
Tappi T-6-os-59
Tappi (1970b)
Celulosa
Tappi T-17-M-55
Tappi (1970c)
Lignina
Tappi T-13-os-54
Tappi (1970d)
Humedad
2.1.1.1 Determinación de Humedad
Se pesaron sobre una luna de reloj tarada 2 g de coco pulverizado. La muestra
fue colocada en la estufa a 105 °C por 3 h, para después enfriarse en un
desecador y ser pesada nuevamente. Los resultados se presentan a partir de la
diferencia entre el peso inicial y final de la muestra, por medio de la Ecuación 2.1:
%H =
Mi - M f
Mi
´ 100
Donde:
Mi: peso muestra inicial
Mf: peso muestra final
[2.1]
41
2.1.1.2 Determinación del contenido de ceras, grasas y resinas solubles en alcoholbenceno
Se pesaron 2 g de cuesco de coco pulverizado y se colocaron en timbles tarados
cubiertos con papel filtro y algodón para evitar pérdidas. Por otro lado se preparó
el solvente que está compuesto de 33 ml de alcohol etílico al 70 % por cada 67 ml
de benceno.
Los timbles fueron introducidos en el equipo soxhlet que mantuvo un reflujo
constante del solvente por 16 h a 80 °C, para lograr que las ceras, grasas y
resinas se acumulen en el extracto. Después de este tiempo los balones fueron
llevados al rotavapor y a una temperatura de 70 °C, se recuperó el benceno de la
mezcla.
Se llevaron los balones a una estufa por 2,5 h y se secaron a 105 °C.
Transcurrido este tiempo, los balones fueron retirados y enfriados en un
desecador para posteriormente ser pesados. Los resultados se obtuvieron, por
medio de la Ecuación 2.2:
%CRG =
Mi - M f
M T (1 - H )
´ 100
Donde:
%CRG: contenido de ceras, resinas y grasas solubles
Mi: masa inicial del balón
Mf: masa final del balón
MT: masa inicial del timble
H: humedad del análisis
[2.2]
42
2.1.1.3 Determinación del contenido de celulosa
Para este análisis se pesaron 2 g de muestra tratada con alcohol – benceno que
quedó libre de ceras, grasas y resinas en un Erlenmeyer de 125 mL, a los cuales
se agregaron 50 mL de hipoclorito de sodio (NaClO) al 10 % y se dejó la muestra
en reposo a temperatura ambiente durante 16 h.
A continuación se trasvasó el material a un crisol de filtración previamente tarado.
La muestra fue lavada sucesivamente con: 50 mL de agua, 50 mL de dióxido de
azufre (SO2) al 3 %, 50 mL de agua y 50 mL de sulfito de sodio (Na 2SO3) al 2 %.
Se transfirió el contenido del crisol de filtración a un vaso de precipitación con
115 mL de sulfito de sodio al 2 %, para eliminar cualquier residuo sobrante y se lo
dejó reposar por 1 h. Transcurrido ese tiempo, se volvió a filtrar en el crisol con
250 mL de agua caliente. Luego las muestras fueron secadas en la estufa a
105 °C por 3 h, enfriadas en el desecador y pesadas. El contenido de celulosa se
determinó con la Ecuación 2.3:
%Celulosa =
M iC - M fC
M m (1 - H )
´ 100
[2.3]
Donde:
MiC: masa inicial del crisol
MfC: masa final del crisol
Mm: masa inicial de la muestra
H: humedad del análisis
2.1.1.4 Determinación del contenido de lignina
Se pesó 1 g de muestra tratada con alcohol – benceno que quedó libre de ceras,
grasas y resinas en un Erlenmeyer de 125 mL al que fueron añadidos 15 mL de
ácido sulfúrico al 72 %.
43
A una temperatura aproximada de 18 °C se agitó continuamente la mezcla
durante 8 h para después ser trasvasada a un balón de 1 000 mL donde se
agregaron 560 mL de agua y se hirvió por 8 h a reflujo. A continuación se dejó
enfriar y sedimentar la muestra contenida en el balón y se la filtró en un crisol
poroso previamente tarado, lavándose con 500 mL de agua caliente.
Se secó la muestra en la estufa durante 3 h a 105 ºC y se colocó en el desecador
hasta que se enfrió. Luego la muestra fue pesada para finalmente determinar el
contenido de lignina con la Ecuación 2.4:
%Lignina =
M iC - M fC
M m (1 - H )
´ 100
[2.4]
Donde:
MiC: masa inicial del crisol
MfC: masa final del crisol
Mm: masa inicial de la muestra
H: humedad del análisis
2.1.1.5 Contenido de volátiles, cenizas y Carbón fijo
Para la determinación de contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo se empleó la
metodología propuesta por el Council for Mineral Technology (1987). Se pesó en
un crisol previamente tarado aproximadamente 1 g de materia prima pulverizada.
Se metió el crisol con su tapa a una mufla Thermolyne a 950 ºC durante 7 min. Se
sacó el crisol de la mufla y se esperó a que se enfríe en un desecador, se pesó el
crisol con la muestra para obtener la cantidad de volátiles.
Posteriormente se colocó el crisol por 2 h en la mufla a 950 ºC sin tapa, se dejó
enfriar en un desecador y se pesó el crisol con la muestra para obtener la
cantidad de cenizas. La diferencia es la cantidad de carbón fijo en la muestra.
44
2.1.2 REDUCCIÓN DE TAMAÑO Y DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE
PARTÍCULA
La materia prima fue reducida de tamaño hasta obtener un d 80 = 5 cm en una
trituradora de mandíbulas Braun Chipmunk con capacidad de 500 g. Para esto, se
realizó un canchado manual con la ayuda de un martillo, con el fin de permitir el
ingreso del cuesco de coco en la tolva de alimentación (diámetro = 12 cm). La
Figura 2.3 muestra el cuesco de coco triturado.
Figura 2.3 Fotografía del cuesco de coco triturado hasta d80 = 5 cm
Luego del proceso de trituración se determinó el tamaño de partícula (d 80) del
material mediante análisis granulométrico, para lo cual se empleó un sistema de
tamices Tyler y un agitador Rot-Tap con capacidad para 7 tamices y un recipiente
que cumple la función de fondo.
Para el procedimiento se cargaron en los tamices 300 g de cuesco de coco
triturado, cuya numeración y abertura se muestran en la Tabla 2.2. El material fue
tamizado durante 15 min, después de lo cual se pesó cada muestra retenida en
cada tamiz.
45
Tabla 2.2 Tamices empleados para la realización del ensayo granulométrico de los
materiales molido
2.1.3
Malla Tyler
(#)
Abertura
(µm)
3/8 in
9 500
3
6 730
4
4 760
6
3 360
8
2 380
10
1 650
14
1 400
Fondo
-
CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LA MATERIA PRIMA
Para la caracterización física se determinó: la densidad real, la dureza y la
densidad aparente. El procedimiento se detalla a continuación:
2.1.3.1 Densidad Real
Para la densidad real se usó un picnómetro. Se pesó aproximadamente 1 g de
materia prima pulverizada y se colocó en el picnómetro. Se llenó el mismo con
agua y se volvió a pesar. Finalmente se llenó el picnómetro seco con agua y se
pesó. La determinación de la densidad se efectuó mediante la Ecuación 2.5:
d=
1
é g ù
W pic + H 2O - W pic + H 2O + m êë cm 3 úû
1+
W pic + m + W pic
[2.5]
46
Donde:
δ: densidad real
W pic + H 2O : peso del picnómetro lleno de agua
W pic + H 2O + m : peso del picnómetro con la muestra lleno de agua
W pic + m : peso del picnómetro con la muestra
W pic : peso del picnómetro vacío
2.1.3.2 Determinación de la dureza y densidad aparente
Para la determinación de la dureza se adaptó la norma NTE INEN 1 989:94
(1995a). Se tomó una muestra de aproximadamente 125 cm 3 de material que se
encontraba entre las # Tyler Nº 6 y 10 (3 360 µm y 1 650 µm), de este volumen se
tomaron 100 cm3 y se pesaron para encontrar la densidad aparente.
Los 100 cm3 pesados se colocaron en el fondo de una serie de tamices con 30
bolas de acero: 15 con un diámetro de 12,7 mm y 15 con un diámetro de 9,5 mm.
Se tamizó la muestra durante 30 min en un Rot-Tap. Transcurrido el tiempo se
retiraron las bolas con mucho cuidado y se colocó la muestra en el tamiz de malla
10, se prendió el equipo por 10 min y se pesó la cantidad de muestra retenida. La
dureza es la variación del peso retenido del peso original colocado en el fondo y
tamizado con las 30 bolas de acero.
2.1.4 ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO DE LA MATERIA PRIMA
La muestra pulverizada fue sometida a un análisis termogravimétrico con el
equipo TGA Shimadzu ubicado en el laboratorio del CIAP de la EPN. Se pesaron
aproximadamente 20 mg de cuesco de coco y se sometieron a una velocidad de
calentamiento de 10 ºC/min desde temperatura ambiente hasta 850 ºC bajo
atmósfera de nitrógeno. El equipo midió la variación del peso con la temperatura y
la derivada del peso con respecto al tiempo.
47
2.1.5 CARACTERIZACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA PRIMA
El cuesco de coco pulverizado fue analizado mediante microscopía electrónica de
barrido con el equipo Tescan-Vega. Se colocaron las muestras en la cámara del
microscopio y se tomaron algunas fotografías de la porosidad de la materia prima
a 500, 1 000, 2 000 y 3 000 grados de aumento.
2.2 EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y
EL TIEMPO SOBRE LA CARBONIZACIÓN DEL CUESCO DE
COCO EN EL HORNO PILOTO NICHOLS HERRESHOFF
MONO SOLERA
Para determinar la influencia de la temperatura y el tiempo sobre la carbonización
del cuesco de coco, primero se realizaron pruebas a nivel de laboratorio en la
mufla SEPOR INC y luego a nivel piloto en el horno Nichols Herreshoff mono
solera.
2.2.1 PRUEBAS A NIVEL DE LABORATORIO
Se pesaron 50 g de materia prima triturada y se colocaron en un crisol. Se
agregaron aproximadamente 5 g de aserrín para crear una atmósfera reductora y
se tapó el crisol con papel aluminio, como se indica en el esquema de la
Figura 2.4. Se prendió la mufla a 400 ºC y cuando la temperatura se mantuvo
constante, se colocaron 3 crisoles. Se sacó cada crisol a 1, 1,5 y 2 h
respectivamente. Se repitió el procedimiento para 500 y 600 ºC.
A cada muestra obtenida, 9 en total, se realizó análisis de: densidad real, según el
procedimiento descrito en la sección 2.1.3.1; densidad aparente y dureza,
señalado en la sección 2.1.3.2 y contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo,
48
detallado en la sección 2.1.1.5. Finalmente se tomó el peso final para determinar
el rendimiento.
Figura 2.4 Esquema del crisol que fue llevado a la mufla SEPOR INC para carbonizar el
cuesco de coco
2.2.2 PRUEBAS A ESCALA PILOTO EN EL HORNO PILOTO NICHOLS
HERRESHOFF MONO SOLERA
Con los datos obtenidos en el laboratorio se realizaron pruebas a nivel piloto en el
horno Nichols Herreshoff mono solera, la figura 2.5 muestra una fotografía del
mismo y un esquema.
Figura 2.5 Fotografía del Horno Nichols Herreshoff mono solera y su esquema
(De la Torre, Guevara y Ríos., 2005, p. 54), modificado
49
2.2.2.1 Determinación de la temperatura de carbonización del cuesco de coco en el
horno piloto Nichols Herreshoff mono solera
Se encendió el horno Nichols Herreshoff mono solera y se estableció una
atmósfera reductora de λ ൎ 0,90, para que no se produzca un exceso CO y CO 2
como muestra la figura 2.6, para esto se reguló la entrada de aire y gas al horno.
El horno Nichols Herreshoff mono solera trabaja con calentamiento de GLP y
puede operar en lecho fijo o agitado. La atmósfera en el interior se controla con el
factor lambda (λ) que es la relación entre la entrada de aire y combustible en el
quemador. Para atmósferas oxidantes λ > 1, una atmósfera reductora se produce
cuando 0,4 < λ < 1. La composición de los gases en el interior del horno en
función de su lambda se encuentra en la Figura 2.6 (De la Torre, et al., 2005, p.
53).
%
30
H2
25
20
CO
15
H2O
10
O2
CO2
5
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2 1,4
lambda (λ)
1,6
1,8
2
2,2
2,4
Figura 2.6 Composición de los gases de combustión del propano a 0,72 ATM (presión
atmosférica de Quito)
(De la Torre, et al., 2005, p. 53, modificado)
Cuando el horno alcanzó aproximadamente 100 ºC se colocaron 4 kg de cuesco
de coco triturado en lecho agitado. Se tomaron muestras periódicas cada 50 ºC en
un perfil de temperatura entre 400 y 600 ºC. A cada una se realizó análisis de
contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo, según el procedimiento descrito en la
sección 2.1.1.5.
50
A partir de la relación entre contenido de carbón fijo y dureza se estableció la
temperatura de carbonización.
2.2.2.2 Determinación del tiempo de carbonización del cuesco de coco en el horno
piloto Nichols Herreshoff mono solera
Se encendió el horno Nichols Herreshoff mono solera y se estableció un λ ൎ 0,90.
Cuando el horno alcanzó una temperatura constante de 500 ºC se colocaron 4 kg
de cuesco de coco triturado en lecho agitado. Se tomaron muestras periódicas
durante 3 h.
El mismo procedimiento se realizó para una temperatura de 600 ºC. A cada
muestra se realizaron pruebas de: densidad aparente y dureza, según el
procedimiento descrito en la sección 2.1.3.2 y contenido de volátiles, cenizas y
carbón fijo, detallado el procedimiento descrito en la sección 2.1.1.5.
A partir de la mejor relación entre contenido de carbón fijo y dureza se estableció
el tiempo de carbonización.
2.2.2.3 Determinación del rendimiento de carbonización del cuesco de coco en el
horno piloto Nichols Herreshoff mono solera
Se encendió el horno Nichols Herreshoff mono solera y se estableció un λ ൎ 0,90.
Cuando el horno alcanzó la temperatura constante de carbonización (500 ºC),
determinada en la sección 2.2.2.1, se colocó 1 kg de cuesco de coco triturado en
lecho fijo.
Se carbonizó durante 30 min que fue el tiempo de pirolisis establecido en la
sección 2.2.2.2 y se pesó el carbón formado. El rendimiento es la diferencia entre
el cuesco de coco precursor que entra y el producto que sale.
51
2.3 EVALUACIÓN DE
LA INFLUENCIA
DEL TIEMPO DE
ACTIVACIÓN FÍSICA CON VAPOR DE AGUA EN LA
PRODUCCIÓN DE CARBÓN ACTIVADO DE CUESCO DE
COCO EN EL HORNO PILOTO
Se encendió el horno Nichols Herreshoff mono solera y se estableció un λ ൎ 0,90.
Cuando el horno alcanzó la temperatura constante de carbonización (500 ºC), se
colocaron 4 kg de cuesco de coco triturado en lecho agitado.
Se carbonizó durante 30 min que fue el tiempo de pirolisis establecido en la
sección 2.2.2.2. Este procedimiento se realizó varias veces para producir
aproximadamente 12 kg de carbón.
El carbón producido fue tamizado con el fin de eliminar el material fino producido
por la carbonización del cuesco de coco y la agitación. Para esto se eligió un
tamaño de partícula de 1 650 µm (# Tyler Nº 10), el carbón retenido fue usado
para la activación.
2.3.1 ACTIVACIÓN FÍSICA CON VAPOR DE AGUA EN EL HORNO NICHOLS
HERRESHOFF MONO SOLERA
Se encendió el horno Nichols Herreshoff mono solera y se estableció un λ ൎ 0,90.
Cuando el horno alcanzó una temperatura constante de 950 ºC se reguló la
entrada de vapor de agua del calderín, por medio de una válvula de globo, a
40 kg/h (26,7 m3/h).
Una vez que la temperatura se mantuvo constante, se colocaron 4,5 kg de carbón
de cuesco de coco previamente tamizado en lecho agitado. Se tomaron muestras
cada 30 min, durante 150 min. Se repitió el procedimiento para una temperatura
de horno de 850 ºC.
52
Cada muestra fue sometida a un análisis de índice de yodo para determinar la
superficie específica del carbón activado producido, análisis del contenido de
cenizas volátiles y carbón fijo, según el procedimiento descrito en la sección
2.1.1.5 y análisis de densidad aparente y dureza, según el procedimiento descrito
en la sección 2.1.3.2.
2.3.2 DETERMINACIÓN DE LA SUPERFICIE ESPECÍFICA DEL CARBÓN
ACTIVADO, POR MEDIO DEL ÍNDICE DE YODO
Para la determinación del índice de yodo, se utilizó la norma NTE INEN 1 988:94
(1995c). Los reactivos se muestran en la Tabla 2.3.
Tabla 2.3 Reactivos que se usaron para la determinación del índice de yodo en carbón
activado según la norma NTE INEN 1 988:94 (1995c)
Fórmula
Química
Concentración
Ácido Clorhídrico
HCl
5 % en peso
Solución de yodo
I2
0,1 N
Na2S2O3
0,1 N
----
1 g/L
Reactivo
Solución de tiosulfato de sodio
Solución de almidón*
* Se usó como indicador
Las muestras obtenidas se pulverizaron para que alcancen un tamaño de
partícula menor a 45 µm (malla 325), se pesaron 0,25 g de cada muestra y se
añadieron a un Erlenmeyer. Se adicionaron 2,5 mL de HCl al 5 % en peso y se
agitó constantemente, luego se sometió a ebullición, se enfrió y se adicionó 25 mL
de solución de yodo [0,1 N]. Se agitó constantemente durante 30 s y se filtró en
un papel Whatman grado 42 cuantitativo. Los primeros 6 mL se desecharon y el
resto se recogió en un Erlenmeyer. Se tomó una alícuota de 12,5 mL y se titularon
con una solución [0,1 N] de Na2S2O3. Se usó una solución de almidón de 1 g/L
como indicador.
53
2.3.3 CARACTERIZACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO
El carbón activado producido a 850 y 950 ºC durante 150 min fue sometido a
varias pruebas de caracterización, con el fin de determinar sus propiedades
adsortivas y características químicas. Además se realizaron fotografías de su
porosidad mediante microscopía electrónica de barrido con un equipo TescanVega.
2.3.3.1 Índice de Azul de metileno
Para la determinación del índice de azul de metileno se utilizó el procedimiento
descrito por Flores, (2010, p. 60). Se preparó una solución de ácido acético al 5 %
(v/v) en agua.
Se preparó una solución “madre” de 1,20 g/L de azul de metileno en ácido acético
al 5 %. Para esto, se pesó 1,20 g de azul de metileno grado analítico y se aforó a
1 L con ácido acético al 5 % (v/v).
Cada muestra fue triturada hasta alcanzar un tamaño de partícula menor a 45 µm,
de los que se tomaron 0,1 g y se agregaron 25 mL de la solución madre. Se agitó
durante 30 min a aproximadamente 1 000 RPM. Se filtró en un papel Whatman
grado 42 cuantitativo, se descartó los primeros 5 mL del filtrado.
Se tomó 1 mL del filtrado y se diluyó hasta 100 mL con una solución de ácido
acético 0,25 % (v/v) en agua. Se midió la absorbancia de la muestra en un
colorímetro (Corning Colorimeter 252) a una longitud de onda de 600 nm. Como
blanco se usó ácido acético al 5 % (v/v) en agua.
Se realizó una curva de calibración. Para esto se disolvió la solución “madre” con
ácido acético 0,25 % (v/v) según la Tabla 2.4. A cada solución se midió la
absorbancia a 600 nm. Como blanco se usó ácido acético al 5 % (v/v) en agua.
54
Tabla 2.4 Datos para la elaboración de la curva de calibración de azul de metileno
Dilución
Valores de equivalentes de azul de metileno
(g de azul de metileno/g de carbón activado)
1:600
25 g/100 g
1:300
20 g/100 g
1:150
10 g/100 g
1:120
5 g/100 g
Flores, (2010, p. 60)
2.3.3.2 Índice de decoloración de azúcar
Para la determinación del índice de decoloración de azúcar se utilizó el
procedimiento descrito por Flores, (2010, p. 60). Se preparó una solución de
sacarosa 60 ºBrix para esto se mezclaron 60 g de azúcar morena en 40 g de agua
destilada y se agitó hasta una completa disolución.
Cada muestra fue triturada hasta alcanzar un tamaño de partícula menor a 45 µm
de los que se tomaron 0,6 g y se agregaron 100 mL de la solución de sacarosa.
Se agitó durante 45 min a aproximadamente 1 000 RPM y a una temperatura
constante de 80 ºC. Se filtró la solución al vacío con la ayuda de un kitasato,
embudo buchner y bomba de vacío, con papel Whatman grado 42 cuantitativo.
Se midió la absorbancia del filtrado en un colorímetro (Corning Colorimeter 252) a
2 longitudes de onda: 430 nm y 710 nm, como blanco se usó agua destilada. Se
calculó las unidades básicas de referencia (UBR) de acuerdo a la Ecuación 2.6
UBR = 1000 ´ A430 nm - 2 ´ A710 nm
[2.6]
El valor de UBR para la solución de sacarosa 60 ºBrix debe oscilar entre 195 a
205 UBR. Además debe presentar un color característico.
55
2.3.3.3 Titulación Boehm
Tradicionalmente la titulación Boehm ha sido usada para la identificación química
de los grupos funcionales oxigenados presentes en el carbón activado de acuerdo
a su acidez. El hidróxido de sodio (NaOH) es una base fuerte que generalmente
neutraliza ácidos fuertes (incluidos fenoles, grupos lactónicos y ácidos
carboxílicos), el carbonato de sodio (Na 2CO3) neutraliza grupos lactónicos y
ácidos carboxílicos y el bicarbonato de sodio (NaHCO 3) neutraliza los ácidos
carboxílicos.
Para la determinación de la titulación Boehm se utilizó el procedimiento descrito
por: Goertzen, Thériault, Oickle, Tarasuk y Andreas, (2010, p. 1 253). Los
reactivos necesarios se muestran en la Tabla 2.5. Cada muestra fue triturada
hasta alcanzar un tamaño de partícula menor a 45 µm, de los que se tomaron
0,6 g y se agregaron en 3 matraces, 0,2 g en cada uno.
Tabla 2.5 Reactivos que se usaron para la titulación Boehm de carbón activado según el
procedimiento descrito por Goertzen, et al., (2010, p. 1 253)
Fórmula
Química
Normalidad
[N]
Hidróxido de sodio
NaOH
0,1
Carbonato de Sodio
Na2CO3
0,1
Bicarbonato de sodio
NaHCO3
0,1
HCl
0,1
C20H14O4
---
Reactivo
Ácido Clorhídrico
Fenolftaleína*
*Se usó como indicador
A cada matraz se agregaron 50 mL de soluciones de: NaOH, Na 2CO3 y NaHCO3
[0,1 N], respectivamente. Se agitaron durante 48 h a aproximadamente
1 500 RPM. Luego de este tiempo se dejó reposar durante 24 h y se tomaron
alícuotas de 8 mL. Se agregaron 10 mL de HCl [0,1 N] y se usó fenolftaleína como
indicador. Posteriormente se tituló la solución con NaOH [0,1 N]. Para medir los
blancos, a 8 mL de las soluciones de NaOH, Na 2CO3 y NaHCO3 [0,1 N] se
56
agregaron 10 mL de HCl [0,1 N] y se tituló con NaOH [0,1 N]. Como indicador se
usó fenolftaleína.
2.3.3.4 Caracterización de la morfología del carbón activado
El carbón activado de coco a 950 y 850 ºC fue analizado mediante microscopía
electrónica de barrido con el equipo Tescan-Vega. Se tomaron algunas fotografías
la morfología del carbón que se usó como precursor y del carbón activado, por
medio del procedimiento descrito en la sección 2.1.5.
Además se tomaron fotografías del carbón precursor para establecer algunas
diferencias estructurales entre este y los productos.
2.4 DEFINICIÓN
DEL
DIAGRAMA
DIMENSIONAMIENTO DE
DE
FLUJO
Y
LOS EQUIPOS PRINCIPALES
PARA LA PRODUCCIÓN DE 10 T/MES DE CARBÓN DE
CUESCO DE COCO
Para la definición del diagrama de flujo del proceso de producción de carbón
activado mediante activación física a partir de cuesco de coco que se presenta en
este subcapítulo se consideró como materia prima las conchas de coco.
A partir de los resultados obtenidos en las pruebas a nivel piloto y con ayuda del
horno Nichols Herreshoff mono solera se determinó la cinética de carbonización y
activación, para determinar el tiempo de residencia en el horno de la materia
prima y el carbón producido.
Se tomó como referencia una producción mensual de 10 t/mes de carbón activado.
Para este análisis se consideró que el Ecuador produce 3 193 t de coco y que de
esta cantidad, el 75 % se produce en las provincias de: Esmeraldas, Manabí,
57
Santo Domingo de los Tsáchilas y Guayas según el INEC (2011) además que de
la materia prima, un 80 % es cuesco (Rosa, et al, p. 1). Mediante los balances de
masa y energía realizados para el proceso se determinó el tamaño de la planta y
se diseñaron los equipos principales.
Se diseñó un horno rotatorio que carbonice y active, para esto se utilizó la
ecuación propuesta por Sullivan, Charles y Oliver (1927, p. 30) aplicable a hornos
de producción de cemento, la misma que está señalada en la Ecuación 2.7
t = 1,77
L´ F Q
Di ´ b ´ w
[2.7]
Donde:
t: tiempo de residencia
L: longitud del horno
Q : ángulo de reposo del material
Di: diámetro interno del horno
β: pendiente del horno
ω: velocidad de rotación del horno
F: factor paletas (1 = si no tiene paletas; 2 = si posee paletas)
Además se determinó el movimiento de los sólidos en el interior, este punto es
importante para establecer el tiempo de residencia en el horno y las
transferencias de calor y masa en el interior del horno. Para esto se estableció el
régimen de movimiento según el número adimensional de Froude, el mismo que
se calcula a partir de la Ecuación 2.8.
Para el cálculo del combustible necesario para la carbonización del cuesco de
coco se determinó que a pesar de que existe una zona de carbonización y
activación, la mayor energía se necesitará para activar el carbón ya producido. A
partir de las Ecuaciones 1.26 a 1.29 se estableció el calor requerido para
transformar el carbón de cuesco de coco en carbón activado.
58
Fr =
w 2 Ri
g
[2.8]
Donde:
Fr: número de Froude
ω: velocidad de rotación del horno
Ri: radio interno del horno
g: gravedad
Se dimensionó un equipo de reducción de tamaño y clasificación de la materia
prima que se ingresará al horno, además de otro para que el carbón activado
producido sea 6ൈ12, es decir, que su tamaño de partícula se encuentre entre las
# Nº 6 y 12 (1 650 μm a 1 410 μm). Además es necesario diseñar una cámara de
enfriamiento para que el carbón activado producido pueda ensacarse. Para esto
se asumió una chaqueta por la que circula agua que enfría al carbón activado
producido.
Se diseñó tanques de almacenamiento de los combustibles, los mismos que se
deben encontrar alejados de las fuentes de ignición y también se deben construir
con un factor de seguridad. El abastecimiento será semanal debido a la ubicación
de la planta.
Se diseñó un caldero para la producción del vapor requerido para la activación,
para esto a partir del modelo propuesto en la sección 1.3.3.2 aplicado al horno
Nichols Herreshoff mono solera, se estableció la concentración de vapor de agua
requerida en los gases de combustión.
Es necesario finalmente diseñar una cámara de postcombustión que queme los
gases producto de la combustión incompleta en ausencia de oxígeno del horno
rotatorio y posteriormente un lavador de gases de combustión que disminuyan el
material particulado y reduzcan la temperatura de salida de los gases.
59
2.5 EVALUACIÓN DE LA PRE-FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE
LA PLANTA PARA UNA PRODUCCIÓN DE 10 T/MES
Con base en la información técnica recopilada y el diseño de los equipos
principales se elaboró una estimación de la inversión y de los costos de operación
de la planta. Para el análisis económico de pre-factibilidad se consideraron el
Valor Actual Neto (VAN), el cual está expresado en la Ecuación 2.9 y la Tasa
Interna de Retorno (TIR), señalada en la Ecuación 2.10.
VAN = åt =1
n
BNt
(1 + i )t
- I0
[2.9]
Donde:
VAN: Valor Actual Neto
I0: Valor de inversión Inicial
BNt: Beneficio neto del periodo t
i: Tasa de retorno del periodo
n: Número de periodos considerados
Cuando el Valor actual neto se iguala a 0, i se denomina tasa interna de retorno.
La TIR nos indica la rentabilidad del proyecto.
VAN = åt =1
n
BNt
(1 + i )t
- I0 = 0
[2.10]
El análisis económico se elaboró con un horizonte de 10 años de operación de la
planta y una tasa de amortización del 10 %.
60
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta sección se presentan los resultados obtenidos en la investigación, el
diagrama de flujo de proceso para la implementación de la planta de producción
de carbón activado de coco mediante activación física con vapor de agua y el
análisis de pre-factibilidad económica.
3.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y QUÍMICA DEL CUESCO DE
COCO, PROVENIENTE DE SAN LORENZO, ESMERALDAS
Previamente a la materia prima se realizó un muestreo y una posterior trituración,
donde se determinó el tamaño de partícula del material molido. La caracterización
consta de 3 etapas. La primera es la caracterización química, donde se determinó
el contenido de los principales biopolímeros presentes y la humedad, por medio
de análisis que siguen la normativa Tappi; además contenido de: volátiles,
cenizas y carbón fijo. La segunda donde se determinó propiedades físicas como:
densidad real, densidad aparente, dureza y análisis termogravimétrico. Para
finalmente tomar algunas fotografías de la morfología.
3.1.1 MUESTREO DE LA MATERIA PRIMA
Se tomó una muestra aleatoria de 30 conchas de una población de 500. Los datos
promedios obtenidos se muestran en la Tabla 3.1. Todos los datos medidos se
encuentran en el Anexo I.
Tabla 3.1 Datos promedios del muestreo realizado a las conchas de coco
Promedio
Peso
(g)
Diámetro mayor
(cm)
Diámetro menor
(cm)
Espesor
(cm)
100,41
11,54
5,31
0,16
61
Como se puede observar en la Tabla 3.1, el peso promedio de las conchas de
coco es considerable, además de su diámetro mayor; sin embargo, el espesor es
pequeño. La desviación estándar que muestran los datos es del 25,78 % para el
peso del cuesco de coco, lo que indica que la materia prima no es uniforme, en
parte se debe a la fracturación previa para obtener en este caso particular el agua
de coco que servirá para la producción de bebidas.
3.1.2 DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA OBTENIDO LUEGO
DE LA MOLIENDA CON MOLINO DE MARTILLOS
La reducción de tamaño del cuesco de coco permite una mejor carbonización y
gasificación, además de una reducción del gradiente de temperatura en la
partícula (Achaw y Afrane, 2008, p. 285; Prauchner y Rodríguez-Reinoso, 2012,
p. 164; Tsamba, et al., 2006, p. 524). Se escogió un tamaño de partícula de 5 cm,
de tal manera que se pueda producir carbón activado granular.
Tabla 3.2 Tratamiento de datos para ensayo de granulometría de cuesco de coco después
del proceso de reducción de tamaño con una trituradora de mandíbulas
Malla #
Abertura
tamiz
(μm)
Peso
Retenido
(g)
% Retenido
% Retenido
Acumulado
% Pasado
Acumulado
3/8 in
9 500
5,2
1,74
1,74
98,26
3
6 730
24,2
8,08
9,82
90,18
4
4 760
34,9
11,65
21,47
78,53
6
3 360
64,5
21,54
43,01
56,99
8
2 380
92,7
30,95
73,96
26,04
10
1 650
60,1
20,07
94,02
5,98
14
1 400
16,1
5,38
99,40
0,60
-14
-1 400
1,8
0,60
100,00
0,00
299,5
100,0
d80
5 000 µm
Peso total retenido
En la Tabla 3.2 se presenta los datos obtenidos del ensayo de granulometría
realizado con la trituradora de mandíbulas (Braun Chipmunk). Antes de ingresar a
62
la reducción de tamaño mecánica, se realizó un machacado manual con un
martillo. El procesamiento gráfico usado para la determinación del tamaño de
partícula se muestra en el Anexo II.
Para la muestra de cuesco de coco molida con una trituradora de mandíbulas
(Braun Chipmunk), el d80 o tamaño de grano fue de 5 000 μm, lo que permite
afirmar que el 80 % de las partículas tienen un tamaño menor o igual al valor
antes señalado.
3.1.3 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA
Para la caracterización química se realizaron pruebas en el laboratorio de Pulpa y
Papel de la EPN para determinar, según la metodología descrita en la
sección 2.1.1: humedad, contenido de celulosa, lignina y material soluble en
alcohol benceno, según la normativa Tappi aplicable a maderas. Además se
sometió a un análisis para determinar la cantidad de carbón fijo de la materia
prima, dato importante para empezar a determinar la factibilidad del proceso.
3.1.3.1 Determinación de humedad, contenido de ceras, grasas y aceites, celulosa y
lignina del cuesco de coco
Los datos obtenidos de los análisis realizados en el laboratorio de Pulpa y Papel
de la EPN se muestran en la Tabla 3.3.
La cantidad de lignina y celulosa es considerable en la materia prima, esto es un
resultado muy positivo, porque estos compuestos son la parte constitutiva del
carbón. La cantidad de material soluble en alcohol-benceno es mínima (4,91 %);
sin embargo, se debe tomar en cuenta, ya que podría ser importante a la hora de
la carbonización, porque el aceite que tiene el cuesco podría servir como
combustible. Además la lignina, como se mencionó en la sección 1.1.5.3, es la
biomolécula que produce la rigidez de la planta, si tenemos una composición
63
considerable de este polímero en nuestra materia prima, podría ser beneficioso
para producir un carbón activado de gran dureza.
Tabla 3.3 Composición química de la materia prima
Sustancia
Composición
(%)
Humedad
9,88
Ceras, grasas y aceites solubles en alcohol-benceno
4,91
Celulosa
30,96
Lignina
35,77
Hemicelulosa*
18,48
* La hemicelulosa se calculó por diferencia
Si comparamos el contenido de celulosa, lignina y hemicelulosa de Tabla 3.3 con
las composiciones consultadas en la Tabla 1.2, éstas varían entre ellas y a la vez
también son diferentes a los datos experimentales obtenidos con nuestra materia
prima. La causa de esta diferencia tan notoria de contenido de estos biopolímeros,
primero se debe a que la materia prima fue extraída de diferentes palmeras de
diferentes lugares del mundo. Además podríamos concluir lo mismo que Achaw y
Afrane (2008, p. 281): “el proceso de producción del carbón activado, inicia desde
el mismo momento en el que la materia prima es cosechada”.
3.1.3.2 Determinación del contenido de cenizas, volátiles y carbón fijo
Los datos obtenidos se muestran en la Tabla 3.4. La muestra tiene gran cantidad
de volátiles. Además la cantidad de cenizas es mínima, lo que representa una
buena pureza del carbón (Yusufu, et al. 2012, 124). El procesamiento de datos se
encuentra en el Anexo III.
Si se compara la Tabla 3.4 con la Tabla 1.5, las composiciones varían mucho
entre todos los datos obtenidos de varias fuentes bibliográficas, aunque el
contenido de cenizas obtenido por Yusufu, et al., (2012, p. 128) es el totalmente
diferente a los demás, casi todos están entre 0,70 % y 1,3 %; mientras que
64
Yusufu, et al. (2012) obtuvo en porcentaje de 3,50 (p.128). Sin embargo, los datos
de Li, et al., (2008, p. 192) y Tsamba, et al., (2006, p.525) son muy parecidos a
los obtenidos con la muestra de la Tabla 3.4, (0,74, 0,70 y 0,78 respectivamente).
La causa de esta diferencia tan notoria de composición química, se debe a que la
materia prima fue extraída de diferentes plantas de diferentes lugares del mundo.
Tabla 3.4 Contenido de cenizas, volátiles y carbón fijo de la materia prima
Composición
(%)
Volátiles
78,51
Cenizas
0,78
Carbón fijo*
20,71
* Se calcula por diferencia
3.1.4 CARACTERIZACIÓN FÍSICA
Para la caracterización física se determinó: densidad real, densidad aparente y
dureza, los datos obtenidos se encuentran en la Tabla 3.5. Las fichas técnicas de
los datos obtenidos se encuentran en el Anexo IV.
La densidad aparente fue calculada para un tamaño de partícula entre # Tyler Nº
6 y # 10 (3 360 µm y 1 650 µm). Como se observa en la Tabla 3.5 la densidad real
del cuesco de coco es considerable, lo que es beneficioso porque en poco
volumen se obtiene grandes cantidades de cuesco de coco. La dureza de la
muestra también es alta, aunque no determina que el carbón activado producido a
partir de éste tenga la misma propiedad.
Tabla 3.5 Propiedades Físicas del cuesco de coco
Propiedad
Resultado
3
Densidad real (g/cm )
2,0034
Densidad aparente (g/cm3)
0,5825
Dureza (%)
97,96
65
3.1.5 ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICO DE LA MATERIA PRIMA
La muestra fue sometida a un análisis termogravimétrico. La curva TGA y su
primera derivada con respecto al tiempo se muestran en la Figura 3.1.
La Figura 3.1 muestra que a mayor tiempo, mayor pérdida de peso, lo que se
traduce en la pirolisis del cuesco, esto produce gases que son menos densos que
el sólido. Además se observa que la descomposición entre 400 a 600 ºC es
mucho mayor que a más de 600 ºC.
Como se puede observar en la Figura 3.1 existen 3 picos: el primero se da a una
temperatura aproximada de 106 ºC la cual corresponde a la eliminación de
humedad de la muestra, la misma que empieza aproximadamente a los 40 ºC.
El segundo pico se da a una temperatura aproximada de 306 ºC, este
corresponde a la eliminación de hemicelulosa de la muestra. Finalmente el tercero
que se da a 368 ºC es la eliminación de la celulosa y lignina. Esto se demuestra
en la Figura 1.6, la misma que muestra la curva TGA de los componentes
principales del cuesco de coco (Cagnon, et al., 2009, p. 294):
Si se compara la Figura 3.1 con las Figuras 1.6 a 1.8 se determina que las curvas
TGA y DTGA son parecidas, esto se debe a los 3 principales compuestos
presentes en la materia prima (celulosa, lignina y hemicelulosa). Sin embargo, hay
diferencias significativas entre los picos de las curvas, debido a la variación de
composición entre cada estudio como se aprecia en la Tabla 1.2 para el trabajo
de la Figura 1.6 (Cagnon, et al., 2009, p. 294) y en la Tabla 3.3 para este trabajo.
La pérdida de peso del cuesco de coco es mayor en el intervalo de 400 a 600 ºC
que a más de 600 ºC, por lo que se podría presumir que en el rango de esta
temperatura se tiene la mejor opción para la producción del carbón.
Si comparamos la Figura 3.1 con la Figura 1.6 se puede observar que a pesar de
que los picos difieren en temperatura, son muy similares. Sin embargo, en el pico
de la descomposición de la hemicelulosa, hay una variación ya considerable, esto
66
se debe a que la muestra de coco obtenida, tiene mayor cantidad de hemicelulosa
que la muestra presentada en el trabajo de Cagnot, et al., (2009, p. 294).
Figura 3.1 Curva TGA y DTGA de la muestra de cuesco de coco
La Figura 1.8 referente al cuesco de coco es similar a la Figura 3.1; sin embargo,
los picos se dan a menor temperatura, además el pico de descomposición de
celulosa y lignina es más acentuado. Hu, Srinivasan y Ni, (2001), señalan que el
60 % del peso se pierde entre 200 a 400 ºC (p. 883).
Además como se observa en la Figura 1.6, la lignina es la que aporta mayor
cantidad de carbón al cuesco, debido al alto punto de descomposición que posee
y a la poca pérdida de peso. Esto es bastante conveniente, sobretodo porque la
muestra como indica la Tabla 3.3 posee una cantidad significativa de lignina
(35,77 %). Finalmente en la Figura 1.8 se demuestra que el endospermo de los
frutos son grandes materiales para la producción de carbón, ya que tienen un
porcentaje de pérdida menor que otros materiales lignocelulósicos.
67
3.1.6 CARACTERIZACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA PRIMA
Se tomaron 4 imágenes con el microscopio electrónico de barrido del cuesco de
coco a diferentes grados de aumento. Las mismas que se muestran en la Figura
3.2.
Las Figuras 3.2a y 3.2b muestran la estructura desordenada del coco, se puede
apreciar las paredes celulares. Se llega a la conclusión que son las paredes
celulares por la forma de celdas, similares a la Figura 1.4 (Abdul-Khalil, et al.,
2006, p. 225).
Figura 3.2 Fotografías MEB del cuesco de coco seco a diferentes grados de aumento:
a) 500, b) 1 000, c) 2 000 y d) 3 000
68
Las Figuras 3.2c y 3.2d ya nos muestran la presencia de poros que son pequeñas
aberturas en el interior de la matriz. Además se observan grietas en la muestra, lo
que representan poros de mayor tamaño.
Esto acrecienta la idea del cuesco de coco como un material apto para la
producción de carbón activado, debido a: un contenido considerable de lignina y
celulosa, una gran dureza y poros inherentes, los mismos que con un tratamiento
adecuado pueden agrandarse, produciendo carbón activado da gran calidad y alta
adsorción.
3.2 EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y
EL TIEMPO SOBRE LA CARBONIZACIÓN DEL CUESCO DE
COCO EN EL HORNO PILOTO NICHOLS HERRESHOFF
MONO SOLERA
Para la evaluación de la influencia de la temperatura y el tiempo sobre la
carbonización del cuesco de coco seco, primero se realizaron pruebas a nivel
laboratorio para luego escalar en el horno piloto Herreshoff mono solera a
atmósfera controlada.
3.2.1 PRUEBAS A NIVEL DE LABORATORIO
Para las pruebas de laboratorio se establecieron temperaturas fijas a partir de los
datos obtenidos en el análisis termogravimétrico que señalaban una temperatura
de descomposición de la lignina en 368 ºC. Sin embargo, se iniciaron las pruebas
a 400 ºC porque a 368 ºC a pesar de que la Figura 3.1 señale un pico, significa el
inicio de la descomposición térmica de la materia prima, por lo que se eligió una
temperatura un poco mayor.
69
3.2.1.1 Análisis de la densidad aparente y densidad real del carbón de cuesco de coco
producido a nivel de laboratorio
Para la densidad aparente se tomó un tamaño nominal de partícula entre
3 360 µm y 1 650 µm que corresponden a las mallas 6 y 10 respectivamente, las
mismas que se utilizan para determinar la dureza. Se tomaron estos valores, ya
que el producto se encuentra a estos tamaños de partícula. La Figura 3.3 muestra
el gráfico de la densidad aparente a las temperaturas de trabajo en función del
Densidad aparente (g/cm3)
tiempo y la Figura 3.4 muestra el gráfico de la densidad real.
0,54
0,52
400 ºC
500 ºC
0,50
600 ºC
0,48
60
80
100
120
Tiempo (min)
Figura 3.3 Densidad aparente del cuesco de coco carbonizado en función del tiempo a
diferentes temperaturas. Pruebas de laboratorio
Como se puede observar en la Figura 3.3, la densidad aparente aumenta con el
tiempo, esto se debe a la formación de poros que hacen que se compacte el
carbón producido. Por lo que para un volumen constante se tiene mayor peso.
A mayores temperaturas se produce un carbón con mayor densidad aparente,
debido a que como son reacciones endotérmicas según la sección 1.2.2, el
aumento de temperatura, favorece la reacción. El carbón a 600 ºC y 2 h presenta
la mayor densidad aparente.
70
Como se aprecia en la Figura 3.4, la densidad real aumenta con el tiempo, de
igual manera como sucede con la densidad aparente. Sin embargo, disminuye
con la temperatura. Esto se debe a que a mayores temperaturas, ya existe la
presencia considerable de poros, por la naturaleza de las reacciones
endotérmicas. El carbón a 400 ºC y 2 h presenta la mayor densidad real.
Densidad (g/cm3)
1,26
1,22
400 ºC
500 ºC
600 ºC
1,18
1,14
60
80
100
120
Tiempo (min)
Figura 3.4 Densidad real del cuesco de coco carbonizado en función del tiempo a
diferentes temperaturas. Pruebas de laboratorio
3.2.1.2 Análisis de dureza del carbón de cuesco de coco producido a nivel de
laboratorio
Para la determinación de la dureza se tomó un tamaño nominal de partícula entre
3 360 µm y 1 650 µm. La Figura 3.5 muestra el gráfico de la dureza a las
temperaturas de trabajo.
Como se puede observar en la Figura 3.5, la mayor dureza de las muestras se da
a una temperatura de 400 ºC. Además se observa que a medida que se aumenta
el tiempo de pirolisis, el carbón obtenido tiene menor dureza. En el caso tanto de
500 ºC como de 600 ºC, a pesar de que se redujo la dureza al aumentar la
temperatura, los resultados son considerablemente muy similares. El carbón que
obtuvo la mayor dureza fue el de 400 ºC pirolizado durante 1 h, esto podría
71
deberse a que el material no pudo haber quedado pirolizado totalmente, por lo
que puede todavía poseer características de la materia prima.
Dureza (%)
97
96
400 º C
95
500 ºC
600 ºC
94
93
60
80
100
120
Tiempo (min)
Figura 3.5 Porcentaje de dureza del cuesco de coco carbonizado en función del tiempo a
diferentes temperaturas. Pruebas de laboratorio
Si comparamos los datos obtenidos de dureza del carbón de coco con los de
Yusufu, et al., (2012, p. 128), los que se muestran en la Tabla 3.6, se comprueba
que nuestra materia prima carbonizada presenta una dureza alta, primero
comparándolo con otras materias primas, y posteriormente con la misma materia
prima del estudio.
Sin embargo, Yusufu, et al., (2012, p. 128) determinó que la activación física
aumenta la dureza del carbón activado, aspecto contrario a los datos obtenidos
experimentalmente en este trabajo.
3.2.1.3 Análisis de contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo del carbón de cuesco
de coco producido a nivel de laboratorio
Los datos obtenidos para cada muestra carbonizada a diferentes temperaturas y
tiempos se muestran en la Tabla 3.7. Las fichas técnicas de los datos obtenidos
se encuentran en el Anexo III.
72
Como se observa en la Tabla 3.7, la cantidad de carbón fijo aumenta a mayor
temperatura y tiempo de pirolisis. Esto se traduce porque en el proceso de
carbonización, los volátiles se pirolizan a menor temperatura, haciendo que se
acumule carbón fijo. La cantidad de ceniza a diferentes temperaturas es casi
similar en los tiempos analizados. La cantidad de volátiles disminuye a una misma
temperatura, cuando aumenta el tiempo.
Tabla 3.6 Porcentaje de dureza de varias materia primas según Yusufu, et al., (2012,
p. 128), modificado
Estado
Dureza (%)
Temperatura
(ºC)
Materia prima
90,5
----
Carbón activado con vapor
96,5
700 a 950
Materia prima
90,0
----
Carbón activado con vapor
93,5
700 a 950
Materia prima
87,5
----
Carbón activado con vapor
88,5
700 a 950
Material
Coco
Huesos de ganado
Madera
Tabla 3.7 Datos obtenidos de contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo del cuesco de
coco carbonizado a diferentes temperaturas y tiempos. Pruebas de laboratorio
Temperatura
(ºC)
400
500
600
Tiempo
(min)
Volátiles
(%)
Cenizas
(%)
Carbón fijo
(%)
60
28,76
14,11
57,13
90
28,45
14,13
57,42
120
27,45
14,13
58,42
60
19,98
11,86
68,16
90
19,69
10,88
69,43
120
18,96
10,87
70,17
60
14,90
6,81
78,29
90
14,86
5,88
79,25
120
14,40
5,00
80,59
A una temperatura de carbonización de 600 ºC durante 2 h se obtiene la muestra
con mayor cantidad de carbón fijo, mientras que la muestra pirolizada a 400 ºC
73
durante 1 h tiene un porcentaje de carbón fijo no tan alto, aunque este porcentaje
es más del doble que el porcentaje de carbón fijo de la de la materia prima,
mostrada en la Tabla 3.4.
El objetivo de la pirolisis es concentrar o formar la mayor cantidad de carbón, esto
se puede reconocer ya que a mayor temperatura, se tiene un mayor porcentaje de
carbón fijo en la muestra. En el caso de la ceniza, a 400 ºC se tiene un porcentaje
de ceniza casi constante, con lo que se puede concluir que las cadenas a estas
temperaturas no están todavía muy separadas entre sí. Pero a medida que se
aumenta la temperatura se tiene menor porcentaje de ceniza al transcurrir el
tiempo.
3.2.1.4 Relación entre el carbón fijo y la dureza del carbón de cuesco de coco
producido a nivel de laboratorio
Para establecer una relación entre el contenido de carbón fijo en el cuesco de
coco pirolizado y su dureza, es necesario construir una gráfica de estos para cada
temperatura, los mismos que se muestran en las Figuras 3.6 a 3.8 para 400, 500
y 600 ºC respectivamente.
98
Carbón fijo (%)
59,0
58,5
96
58,0
carbón fijo
94
dureza
57,5
92
57,0
60
80
100
120
Tiempo (min)
Figura 3.6 Porcentaje de carbón fijo y dureza del cuesco de coco en función del tiempo
para 400 ºC. Pruebas de laboratorio
74
Como se observa en la Figura 3.6, el carbón pirolizado a 400 ºC durante 2 h
posee el mayor porcentaje de carbón fijo, pero la menor dureza. Sin embargo, el
contenido de carbón fijo aumenta. La variación de porcentaje de carbón fijo entre
1 y 1,5 h es mínima, comparada a la variación entre 1,5 y 2 h. Algo similar
acontece en lo que respecta a la dureza.
71
98
Carbón Fijo (%)
97
70
96
69
95
carbón fijo
94
dureza
93
68
92
60
80
100
120
Tiempo (min)
Figura 3.7 Porcentaje de carbón fijo y dureza del cuesco de coco en función del tiempo
para 500 ºC. Pruebas de laboratorio
98
81
Carbón Fijo (%)
97
96
80
79
95
carbón fijo
94
dureza
93
92
78
60
80
100
120
Tiempo (min)
Figura 3.8 Porcentaje de carbón fijo y dureza del cuesco de coco en función del tiempo
para 600 ºC. Pruebas de laboratorio
Como se observa en las Figura 3.7 y 3.8, el carbón pirolizado durante 2 h posee
el mayor porcentaje de carbón fijo, pero la menor dureza al igual que en la Figura
75
3.6. En la Figura 3.7, la variación de porcentaje de carbón fijo entre 1 y 1, 5 h es
mayor que entre 1,5 y 2 h, mientras que la variación de dureza, no es tan notoria
entre los 2 intervalos de tiempo. En la Figura 3.8, la variación de porcentaje de
carbón fijo entre 1 y 1, 5 h es ligeramente mayor que entre 1,5 y 2 h, mientras que
la variación de dureza, es mínima entre los 2 intervalos de tiempo.
3.2.1.5 Rendimiento de la carbonización del cuesco de coco a diferentes
temperaturas y tiempos a nivel de laboratorio
Para la determinación del rendimiento de la carbonización, se tomaron los pesos
inicial y final de la muestra a cada temperatura y tiempo, con estos se construyó la
Tabla 3.8. Las fichas técnicas de los datos obtenidos se encuentran en el Anexo V.
Tabla 3.8 Datos obtenidos del rendimiento del cuesco de coco carbonizado a diferentes
temperaturas y tiempos. Pruebas de laboratorio
Temperatura
(ºC)
400
500
600
Tiempo
(min)
Rendimiento
(%)
60
32,30
90
32,12
120
30,39
60
27,80
90
27,12
120
26,81
60
25,99
90
25,59
120
24,71
La Tabla 3.8 muestra un mayor rendimiento para una temperatura de 400 ºC.
Además se observa que a medida que se aumenta el tiempo de pirolisis, se
disminuye el rendimiento. En el caso tanto de 500 ºC como de 600 ºC a pesar de
que disminuyó el rendimiento a mayor temperatura, los resultados son
considerablemente similares. La variación del rendimiento con respecto al tiempo
es más considerable a 400 ºC que a 500 y 600 ºC.
76
El carbón que obtuvo el mayor rendimiento fue el de 400 ºC pirolizado durante 1 h,
esto se debe a que no hubo una volatilización de todos los componentes para
formarlo, por lo que todavía podría poseer características de la materia prima,
esto también se puede determinar al comparar las Figura 3.6 (400 ºC), con las
Figuras 3.7 (500 ºC) y 3.8 (600 ºC), debido a que la Figura 3.8 no posee todavía
gran cantidad de carbón fijo y tiene una gran dureza. El proceso tiene un
rendimiento moderadamente bajo (24,74%). Sin embargo, este rendimiento podría
no ser malo, siempre y cuando el carbón activado producido sea de gran
porosidad y con buena capacidad de adsorción.
3.2.2 PRUEBAS A ESCALA PILOTO EN EL HORNO PILOTO NICHOLS
HERRESHOFF MONO SOLERA
Una vez que se realizaron pruebas a nivel de laboratorio, se escaló el proceso en
un horno piloto Nichols Herreshoff mono solera en donde primero se realizaron
pruebas para determinar la temperatura de carbonización (TC) y determinar el
tiempo de pirolisis (tP).
3.2.2.1 Determinación de la temperatura de carbonización del cuesco de coco en el
horno piloto Nichols Herreshoff mono solera
Se tomaron muestras en un perfil de temperatura entre 400 y 600 ºC, se
realizaron análisis de contenido de cenizas, volátiles y carbón fijo, los mismos que
se resumen en la Tabla 3.9. Los datos a 0 ºC son los obtenidos en los ensayos
realizados para la materia prima, los mismos que se encuentran en la Tabla 3.4.
En la Tabla 3.9 se puede observar que la cantidad de carbón fijo aumenta a
mayor temperatura. Esto se debe a que en el proceso de pirolisis, el objetivo es
concentrar carbón, además de carbonizar los materiales volátiles para formar
breas, lo que efectivamente sucede. Las fichas técnicas de los datos obtenidos se
77
encuentran en el Anexo III. Las temperaturas de operación del horno Nichols se
encuentran en el Anexo VI.
Tabla 3.9 Datos obtenidos de contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo del cuesco de
coco carbonizado a diferentes temperaturas. Pruebas piloto en el horno Nichols
Temperatura
(ºC)
Volátiles
(%)
Cenizas
(%)
Carbón fijo
(%)
0
78,51
0,78
20,71
364
66,79
0,88
32,33
447
32,59
9,78
57,63
496
23,05
9,73
67,21
546
13,77
8,40
77,83
576
12,43
6,23
81,34
La cantidad de ceniza a diferentes temperaturas es casi similar, mientras que los
volátiles disminuyen a una misma temperatura, cuando aumenta el tiempo. Sin
embargo, para una temperatura de 364 ºC, no se produce cenizas y tampoco
carbón fijo, esto se debe a que a pesar de que en el análisis TGA, el que se
encuentra en la Figura 3.1, esta temperatura tiende a ser un pico, en la práctica
no se produce una óptima carbonización. Como el punto a 364 ºC el material no
está completamente carbonizado, este punto será eliminado de las siguientes
Figuras realizadas a partir de la Tabla 3.9.
Para elegir la temperatura óptima de pirolisis es necesario considerar otros
factores, como por ejemplo el tiempo que le tomó al horno llegar a esta
temperatura. Ya que a pesar de que a 576 ºC se da una mejor cantidad de carbón
fijo, se necesita más energía, mientras que a 546 ºC se da un porcentaje de
carbón fijo considerable y no varía mucho con respecto a 576ºC, pero el ahorro
energético es considerable.
A partir de los datos obtenidos a escala piloto de la Tabla 3.9, con los datos de
laboratorio se construyeron las Figuras 3.9 para carbón fijo, 3.10 para cenizas y
3.11 para volátiles.
78
Como se observa en la Figura 3.10 las pruebas en laboratorio hasta alcanzar los
500 ºC presentan un porcentaje mayor de carbón fijo, mientras que a mayores
temperaturas de ese punto, el horno Nichols tiene mayor cantidad de carbón fijo.
A 500 ºC presenta un porcentaje de carbón fijo casi igual. Sin embargo las
temperaturas mayores a 400 ºC son las que se debería considerar, ya que a estas
temperaturas se empieza a dar la pirolisis, por lo que se establece que el horno
Nichols carboniza de mejor manera la muestra.
Carbón fijo (%)
100
80
60
Nichols
40
Laboratorio
20
0
0
200
400
600
Temperatura (ºC)
Figura 3.9 Porcentaje de carbón fijo en función de la temperatura, comparación entre
pruebas a nivel laboratorio y pruebas piloto en el horno Nichols para el cuesco de coco
carbonizado
La Figura 3.10 señala que las pruebas realizadas en el laboratorio presentan
mayor porcentaje de cenizas que las realizadas en el horno Nichols, esto se debe
a que las pruebas realizadas en el laboratorio no fueron a atmósfera controlada,
se creó una atmósfera reductora, con la adición de aserrín y cerrando el crisol con
papel aluminio, mientras que en el horno Nichols se controla la atmósfera por
medio del flujo de gas y aire que ingresa. La cantidad de cenizas disminuye con el
tiempo.
Según la Figura 3.11, las pruebas de laboratorio a menor temperatura hasta
500 ºC presentan un porcentaje menor de volátiles. Mientras que a mayores
temperaturas, el horno Nichols tiene menor porcentaje. A 500 ºC presenta un
79
contenido similar. Sin embargo las temperaturas mayores a 400 ºC son las que se
debe considerar, ya que a estas temperaturas se empieza a dar la pirolisis, por lo
que se establece que el horno Nichols tiene una mejor carbonización de la
muestra, ya que el objetivo de la pirolisis es eliminar la mayor cantidad de volátiles
y cenizas para formar carbón fijo, el mismo que posteriormente será activado.
16
Cenizas (%)
12
8
Nichols
Laboratorio
4
0
0
200
400
600
Temperatura (ºC)
Figura 3.10 Porcentaje de cenizas en función de la temperatura, comparación entre
pruebas de laboratorio y pruebas piloto en el horno Nichols para el cuesco de coco
carbonizado
100
Volátiles (%)
80
60
Nichols
40
Laboratorio
20
0
0
200
400
600
Temperatura (ºC)
Figura 3.11 Porcentaje de volátiles en función de la temperatura, comparación entre
pruebas de laboratorio y pruebas piloto en el horno Nichols para el cuesco de coco
carbonizado
80
De la Tabla 3.9 se establece que entre 500 y 600 ºC se obtiene las mejores
características del carbón producido a partir de cuesco de coco, debido a su alto
contenido de carbón fijo y bajo de cenizas.
3.2.2.2 Determinación del tiempo de carbonización del cuesco de coco en el horno
piloto Nichols Herreshoff mono solera
Todavía no se estableció la temperatura de carbonización (TC), por lo que se
realizaron pruebas a 500 y 600 ºC. Las Figuras 3.12 y 3.13 muestran los gráficos
del contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo para una temperatura constante
de 500 y 600 ºC respectivamente en función del tiempo. Los datos a tiempo 0 son
los de la materia prima, los mismos que se encuentran en la Tabla 3.4.
Composicion (%)
100
80
60
volátiles
40
cenizas
carbón fijo
20
0
0
40
80
120
Tiempo (min)
Figura 3.12 Contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo del cuesco de coco carbonizado a
500 ºC en función del tiempo. Pruebas en el horno Nichols
La Figura 3.12 señala que el carbón pirolizado a 500 ºC aumenta el porcentaje de
carbón fijo, cuando aumenta el tiempo. La cantidad de cenizas permanece casi
constante. El porcentaje de volátiles disminuye con el tiempo. Esto se traduce
porque en el proceso de pirolisis, los volátiles se pirolizan, haciendo que se
acumule carbón fijo. Además también los volátiles forman carbón fijo en el
proceso de carbonización.
81
En la Figura 3.13 se puede observar que a una temperatura constante de pirolisis
de 600 ºC, las propiedades son casi constantes. A medida que se aumenta el
tiempo de pirolisis, aumenta el porcentaje de carbón fijo y disminuye la cantidad
de volátiles. La ceniza disminuye, pero el porcentaje es casi constante.
Si comparamos la Tabla 3.7 con las Figuras 3.12 y 3.13 se afirma que la cantidad
de carbón fijo producido tanto a nivel de laboratorio como en el horno piloto
Nichols Herreshoff mono solera es similar en función del tiempo tanto a 500 como
a 600 ºC
Composicion (%)
100
80
60
volátiles
cenizas
40
carbón fijo
20
0
0
30
60
90
120
150
180
Tiempo (min)
Figura 3.13 Contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo del cuesco de coco carbonizado a
600 ºC en función del tiempo. Pruebas en el horno Nichols
De las Figuras 3.12 y 3.13 se elaboró la Figura 3.14 que muestra la evolución de
la concentración de carbón fijo para las 2 temperaturas en función del tiempo.
Como se observa en la Figura 3.14 el carbón pirolizado a 600 ºC posee mayor
porcentaje de carbón fijo que el producido a 500 ºC. Además también se observa
que la cantidad de carbón fijo a 600 ºC es casi constante desde un tiempo
aproximado de 40 min.
Con la dureza de las muestras obtenidas a las 2 temperaturas se realiza la Figura
3.15, la misma que muestra que el porcentaje del carbón producido a 500 ºC es
82
mayor a la producida a 600 ºC, con el transcurso del tiempo. El carbón producido
a 600 ºC tiene una mayor dureza hasta aproximadamente los 30 minutos. Se
observa que la dureza disminuye con el tiempo, esto se debe a los poros que se
forman en la pirolisis. La mayor dureza se presenta a la menor temperatura.
Carbón fijo (%)
100
80
60
600 ºC
500 ºC
40
20
0
0
30
60
90
120
150
180
Tiempo (min)
Figura 3.14 Contenido de carbón fijo en función del tiempo a las posibles temperaturas de
carbonización del cuesco de coco. Pruebas en el horno Nichols
100
Dureza (%)
98
96
600 ºC
94
500 ºC
92
90
0
30
60
90
120
150
180
Tiempo (min)
Figura 3.15 Porcentaje de dureza en función del tiempo a las posibles temperaturas de
carbonización del cuesco de coco. Pruebas en el horno Nichols
Finalmente la Figura 3.16 muestra la densidad aparente en función del tiempo
para las pruebas realizadas en el horno piloto. Esta arroja resultados similares a
la Figura 3.3, en donde la densidad aparente aumenta con el tiempo debido a la
83
formación de poros. Sin embargo, la densidad no varía mucho entre las 2
temperaturas, por lo que se puede asumir que la porosidad tampoco es muy
significativa entre las 2 temperaturas.
A partir de las Figuras 3.14 y 3.15 se determinó que la temperatura de
carbonización (TC) es 500 ºC, ya que aunque el aumento de porcentaje de carbón
fijo es mayor a 600 ºC y la porosidad es significativamente mayor, no justifica el
mayor consumo de energía. Otro factor que también es representativo es la
dureza, la misma que es mayor a 500 ºC.
Densidad aparente (g/cm3)
0,6
0,55
0,5
500ºC
600ºC
0,45
0,4
0
30
60
90
120
150
180
tiempo (min)
Figura 3.16 Densidad aparente en función del tiempo a las posibles temperaturas de
carbonización del cuesco de coco. Pruebas en el horno Nichols
Para determinar el tiempo de pirolisis (tP) se graficó la dureza en función del
porcentaje de carbón fijo tanto para 500 ºC, la misma que se muestra en la Figura
3.17, como para 600 ºC, representada en la Figura 3.18. Como se muestra en la
Figura 3.17, la dureza disminuye cuando se aumenta el contenido de carbón fijo a
500 ºC. La relación tiende a ser lineal, pero esto es solo una coincidencia, ya que
si se observa la Figura 3.18, este tiende a ser una parábola.
Para determinar la tP se linealizaron las Figuras 3.17 y 3.18. Si consideramos que
la temperatura de carbonización (TC) es 500 ºC, el tiempo óptimo de residencia
de la materia prima para producir el carbón a las mejores condiciones es de
84
aproximadamente 30 minutos, en este tiempo ya existe una carbonización de la
materia prima, además de una porosidad inherente, no existe un gasto
considerable de energía. El contenido de carbón fijo en este punto es de
aproximadamente 67 %.
Dureza (%)
96
95
94
93
92
78
79
80
81
82
Carbón Fijo (%)
Figura 3.17 Porcentaje de dureza en función del carbón fijo, del cuesco de coco
carbonizado a 500 ºC obtenido en las pruebas piloto en el horno Nichols a diferentes
tiempos
Dureza (%)
96
95
94
93
60
64
68
72
76
Carbón fijo (%)
Figura 3.18 Porcentaje de dureza en función del carbón fijo, del cuesco de coco
carbonizado a 600 ºC obtenido en las pruebas piloto en el horno Nichols a diferentes
tiempos
85
3.2.2.3 Determinación del rendimiento de carbonización del cuesco de coco en el
horno piloto Nichols Herreshoff mono solera
Se colocaron 1 000 g de cuesco de coco en lecho fijo y se carbonizó a TC durante
tP, se obtuvo un rendimiento de 28,25 %. Si se comparan estos datos con los
obtenidos a nivel laboratorio, a pesar de que no se hayan realizado a esta
temperatura, se considera que son similares.
3.3 EVALUACIÓN DEL TIEMPO PARA PRODUCIR UN CARBÓN
ACTIVADO DE CUESCO DE COCO QUE TENGA EL MAYOR
ÍNDICE DE YODO Y SUPERFICIE ESPECÍFICA, POR MEDIO
DE ACTIVACIÓN FÍSICA CON VAPOR DE AGUA EN EL
HORNO NICHOLS HERRESHOFF MONO SOLERA.
Después de carbonizar el cuesco de coco en el horno Nichols Herreshoff mono
solera a 500 ºC durante 30 min en lecho agitado hasta obtener aproximadamente
13 kg de carbón, se determinó el tiempo de activación (tA). Para esto, se
realizaron pruebas a 850 y 950 ºC con un flujo de vapor de agua constante de
40 kg/h (26,7 m3/h).
3.3.1 DETERMINACIÓN DE LA SUPERFICIE ESPECÍFICA DEL CARBÓN
ACTIVADO, POR MEDIO DEL ÍNDICE DE YODO
Se realizaron pruebas de índice de yodo y dureza al carbón activado producido a
diferentes tiempos. La Tabla 3.10 muestra los datos para 850 ºC y la 3.11 para
950 ºC. En los datos, al tiempo 0 se consideró las muestras de carbón antes de
activar (pirolizado a TC durante tP). Las fichas técnicas de los datos obtenidos se
encuentran en el Anexo IV para dureza y densidad aparente y Anexo VII para
índice de yodo.
86
Tabla 3.10 Índice de yodo y dureza del carbón activado de cuesco de coco con vapor de
agua en el Horno Nichols a 850 ºC
Tiempo
(min)
Índice de yodo
Dureza
(%)
Densidad
aparente
(g/cm3)
0
162
92,89
0,4798
30
772
89,88
0,4488
60
866
86,64
0,4512
90
1009
75,08
0,4535
120
1095
71,02
0,4562
150
1193
70,41
0,4583
Como se puede observar en las Tablas 3.10 y 3.11 el índice de yodo aumenta con
el tiempo. A tiempo 0, el índice de yodo es muy bajo, esto se debe a que el
carbón no está activado todavía. Después de 150 min el carbón activado posee
un índice de yodo superior a 1 000, lo que le hace un carbón activado muy poroso.
El carbón a 950 ºC presenta una mayor porosidad.
Tabla 3.11 Índice de yodo y dureza del carbón activado de cuesco de coco con vapor de
agua en el Horno Nichols a 950 ºC
Tiempo
(min)
Índice de yodo
Dureza
(%)
Densidad
aparente
(g/cm3)
0
162
92,89
0,4798
30
740
87,65
0,4145
60
886
85,32
0,4189
90
1045
67,75
0,4232
120
1297
54,69
0,4262
150
1371
36,94
0,4301
La dureza disminuye con respecto al tiempo, esto se debe a los poros que se
forman, producto de la reacción del carbón con el vapor de agua. La mayor
dureza se presenta en la menor temperatura. Hasta los 60 min se puede
considerar un carbón granular ya que tiene una dureza superior al 90 % según las
normas INEN 1 991:94 (1995a). El carbón activado luego de 150 min tiene una
87
dureza intermedia para el carbón activado producido a 850 ºC. A 950 ºC el carbón
activado pierde totalmente la dureza, esto se debe a las altas temperaturas que
prácticamente deshacen el carbón. Es un alto costo para la gran porosidad que
obtienen. Además la temperatura favorece la reacción del vapor de agua con los
sitios activos del carbón. La densidad aparente es considerablemente menor a
950 ºC que a 850 ºC, eso se debe a la formación de poros que disminuyen el
peso de la muestra.
El tiempo para producir carbón activado es muy pequeño comparándolo con
algunas otras materias primas que necesitan aproximadamente 4 h para activarse.
Sin embargo, el producto tiene una dureza muy pobre, esto se debe a la
porosidad producida por la reacción con vapor y las altas temperaturas, que por
un lado aumenta el índice de yodo; pero por otro, disminuye considerablemente la
dureza, lo que perjudica al producto, sobre todo en aplicaciones metalúrgicas.
Si se compara los datos bibliográficos de la Tabla 1.8 con los obtenidos en las
Tablas 3.10 y 3.11; a pesar de que se sometió a mayor tiempo y temperatura de
activación, el índice de yodo aumenta considerablemente. Uno de los grandes
factores que aumentan el índice de yodo es el uso de vapor de agua como agente
activante, ya que si comparamos los datos obtenidos por Achaw y Afrane (2012,
p. 165) con los de la Tabla 3.10, a pesar de que el material fue carbonizado y
activado a esa temperatura y tiempo, el índice de yodo es totalmente mayor en la
Tabla 3.11 para esa temperatura. Otro factor que podría influir en la superficie
específica del carbón activado producido es la previa carbonización, en los
estudios
investigados
de
fuentes
bibliográficas
no
pretratamiento, por lo que no se puede definir la influencia.
se
especifica
este
88
3.3.2 ANÁLISIS DE CONTENIDO DE VOLÁTILES, CENIZAS Y CARBÓN FIJO
DEL CARBÓN ACTIVADO DE CUESCO DE COCO PRODUCIDO EN EL
HORNO NICHOLS
Las muestras de carbón activado tomadas a cada temperatura fueron sometidas
a análisis de contenido de volátiles cenizas y carbón fijo. Los resultados se
muestran en la Figura 3.19 para 850 ºC y Figura 3.20 para 950 ºC.
Tanto la Figura 3.19 como la Figura 3.20 indican que el porcentaje de cenizas es
casi constante en el proceso de activación, la cantidad de volátiles. A 950 ºC
existe una mayor cantidad de carbón fijo y un porcentaje casi nulo de volátiles,
esto se debe a que la determinación de estos componentes se da a esta
temperatura.
Composicion (%)
100
80
60
volátiles
cenizas
40
carbón fijo
20
0
0
30
60
90
120
150
Tiempo (min)
Figura 3.19 Contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo en función del tiempo para una
temperatura de 850 ºC. Pruebas en el horno Nichols
Finalmente a partir de la Figura 3.19, la Tabla 3.10, la Figura 3.20 y la Tabla 3.11
para 850 y 950 ºC respectivamente, se construyeron las Figuras 3.21 y 3.22, las
mismas que señalan la dureza e índice de yodo en función del porcentaje de
carbón fijo obtenido en las muestras.
89
Composicion (%)
100
80
60
volátiles
cenizas
40
carbón fijo
20
0
0
30
60
90
120
150
Tiempo (min)
Figura 3.20 Contenido de volátiles, cenizas y carbón fijo en función del tiempo para una
temperatura de 950 ºC. Pruebas en el horno Nichols
1400
80
1200
60
1000
40
800
20
600
Dureza (%)
100
Dureza
Índice de Yodo
83
84
85
86
Carbón Fijo (%)
Figura 3.21 Porcentaje de dureza e índice de yodo en función del carbón fijo para el
carbón activado de cuesco de coco mediante activación física con vapor de agua a 850 ºC
Como se observa en la Figuras 3.21 la dureza disminuye mientras aumenta el
índice de yodo para un porcentaje de carbón fijo determinado. Esto se debe al
mayor tiempo de activación que produce una mayor concentración de carbón fijo,
un mayor agrietamiento pero una menor dureza.
La Figura 3.22 muestra una disminución considerable de dureza a pesar de
poseer un porcentaje de carbón fijo muy importante. El índice de yodo también es
muy significativo, pero si el carbón activado se requiere para adsorción de
90
metales mediante procesos agitados, es necesario producir un material que tenga
gran dureza aunque disminuya la superficie específica.
1400
80
1200
60
1000
40
800
20
600
Dureza (%)
100
Dureza
Índice de Yodo
88
89
90
91
Carbón fijo (%)
92
93
Figura 3.22 Porcentaje de dureza e índice de yodo en función del carbón fijo para el
carbón activado de cuesco de coco mediante activación física con vapor de agua a 950 ºC
3.3.3 CARACTERIZACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO.
Las muestra finales de los carbones activados a 150 min fueron sometidos a
varias pruebas para determinar su porosidad, estructura y grupos funcionales. Se
comparó con el carbón producido a 500 ºC y 30 min que fue el precursor.
3.3.3.1 Índice de Azul de metileno
El índice de azul de metileno determina la mesoporosidad del carbón activado de
cuesco de coco producido.
Para la determinación del índice de azul metileno se realizaron curvas de
calibración que determinaron la absorbancia de los equivalentes de carbón
activado, esta se encuentra en el Anexo VIII. Una vez realizada la curva de
calibración se determinó el índice de azul de metileno para los carbones activados
91
finales, además para el carbón precursor y de un carbón activado comercial
(GSR-20), los datos se muestran en la Tabla 3.12.
Tabla 3.12 Índice de azul de metileno para los carbones activados producidos a 150 min
Carbón
Absorbancia
mg de azul de
metileno / mg de CA
Precursor
0,43
0,1
GSR-20
0,40
2,1
A 850 ºC
0,35
5,5
A 950 ºC
0,13
20,4
La Tabla 3.12 señala que el carbón precursor presenta una mesoporosidad casi
nula, esto se debe a que todavía no fue activado. El carbón activado a 950 ºC
durante 150 min tiene una mesoporosidad muy alta, la absorbancia es casi 0, lo
que implica que el azul de metileno fue casi removido de la solución. El carbón
activado comercial tiene casi la mitad de la mesoporosidad del carbón activado a
850 ºC, lo que significa que el carbón activado de cuesco de coco mediante
activación física con vapor de agua presenta una gran porosidad. La Figura 3.23
muestra una fotografía de las soluciones finales de azul de metileno a las cuales
se les midió la absorbancia.
Como se observa en la Figura 3.23d la decoloración del azul de metileno
producida por el carbón activado a 950 ºC es considerable, comparándola con las
otras que visiblemente no tienen diferencia.
3.3.3.2 Índice de decoloración de azúcar
El índice de decoloración de azúcar determina la macroporosidad del carbón
activado de cuesco de coco producido. Para la determinación del índice de
decoloración de azúcar se determinaron las Unidades Básicas de Referencia
(UBR) según la Ecuación 2.6.
92
Figura 3.23 Fotografía de las soluciones finales de azul de metileno a las cuales se midió
la absorbancia
a) GSR-20 b) carbón precursor c) carbón activado a 850 ºC d) carbón activado a 950 ºC
Se determinó el índice de decoloración de azúcar para los carbones activados
finales, además para el carbón precursor y de un carbón activado comercial
(GSR-20), los datos se muestran en la Tabla 3.13. A menor UBR, existe mayor
adsorción de azúcar de la solución inicial.
Tabla 3.13 Índice de decoloración de azúcar para los carbones activados producidos a 150
min
Absorbancia
UBR
Blanco
199
Precursor
198
GSR-20
149
A 850 ºC
148
A 950 ºC
139
El blanco se encuentra dentro de los rangos permitidos por la norma que señala
que debe estar entere 195 a 205 UBR. El carbón precursor ya presenta una
macroporosidad, porque disminuye un poco los UBR, sin embargo, no es tan
representativa como los obtenidos por los carbones activados.
93
Todos los carbones activados tienen una macroporosidad mínima, el carbón
activado producido a 850 ºC casi presenta la misma porosidad que el comercial,
aunque es un poco mayor. La Tabla 3.13 muestra que las UBR del carbón
producido a 950 ºC son las menores, lo que significa que el éste es producto de
mejor macroporosidad.
3.3.3.3 Titulación Boehm
La titulación Boehm determina la presencia de grupos oxigenados presentes en el
carbón activado. Se determinó la presencia de grupos fenólicos, grupos lactónicos
y carboxílicos en el producto final. Los datos se muestran en la Tabla 3.14. La
ficha técnica se encuentra en el Anexo IX.
Tabla 3.14 Grupos funcionales oxigenados de las muestras de carbón activado durante 150
min, datos obtenidos mediante titulación Boehm
Muestra
Grupos
fenólicos
(μmol/g CA)
Grupos
lactónicos
(μmol/g CA)
Grupos
carboxílicos
(μmol/g CA)
Total
(μmol/g CA)
850 ºC
50
0
200
250
950 ºC
100
150
50
300
Como muestra la Tabla 3.14 el carbón activado a 850 ºC presenta gran cantidad
de grupos carboxílicos, poca cantidad de fenólicos y no posee grupos lactónicos,
mientras que el carbón activado a 950 ºC presenta grupos lactónicos y fenólicos
considerables y pocos grupos carboxílicos, además presenta mayor cantidad de
grupos totales.
El total de la presencia de los grupos oxigenados podría otorgar mejores
propiedades de adsorción, lo que se comprueba con los índices presentados en
las Tablas 3.10 a 3.13 donde el carbón producido a 950 ºC tiene mayores
propiedades adsortivas. La presencia de grupos lactónicos produce una mayor
adsorción en el carbón activado a 950 ºC. Lastimosamente estos datos no se
pueden comparar con la bibliografía, ya que éstos se elaboraron con carbón
94
activado mediante activación química, lo que significa que hay una influencia y
reacciones químicas que producen por ejemplo valores negativos de estos grupos
funcionales.
3.3.3.4 Caracterización de la morfología del carbón activado
Se tomaron fotografías con la ayuda del microscopio electrónico de barrido
Tescan-Vega de los carbones activados finales y se comparó con la estructura del
carbón utilizado como precursor. La Figura 3.24 muestra el carbón precursor a
diferentes grados de aumento, mientras que las Figuras 3.25 y 3.26 muestran los
carbones activados a 850 y 950 ºC respectivamente.
Figura 3.24 Fotografías MEB del cuesco de coco carbonizado diferentes grados de
aumento: a) 350 y b) 750
Las Figuras 3.24a y 3.24b muestran la estructura desordenada del coco,
comparándolas con la Figura 3.2 se aprecia un poco más de orden, además
tienen mayor similitud a la Figura 1.4 que muestra las paredes celulares del fruto
(Abdul-Khalil, et al., 2006, p. 225). No se pueden observar claramente los poros
presentes en el cuesco carbonizado debido al poco grado de aumento con las que
están tomadas estas fotos.
95
Las Figuras 3.25a a 3.25d muestran de manera significativa la porosidad del
carbón activado producido. En las Figuras 3.25b y 3.25c muestran además
segmentos de carbón activado donde no se presenta poros, o estos son muy
pequeños. La porosidad por lo general como denota la Figura 3.25 es
desordenada
Figura 3.25 Fotografías MEB del carbón activado de cuesco de coco a 850 ºC y 150 min a
diferentes grados de aumento: a) 2 000, b) 3 500 c) 4 000 y d) 8 000
A pesar de que en la Figura 3.24 no se aprecia ningún poro, la Figura 3.25 cambia
radicalmente, esto también se traduce en que el carbón precursor de la Figura
96
3.24 no posee la adsorción que el carbón producido tiene como se observa
claramente en las Tablas 3.11 y 3.12.
Figura 3.26 Fotografías MEB del carbón activado de cuesco de coco a 950 ºC y 150 min a
diferentes grados de aumento: a) 2 000, b) 4 000 y c) 8 000
Las Figuras 3.28a a 3.28c presentan mayor cantidad de poros que las Figuras
3.27a a 3.27d, sin embargo como se aprecia con claridad en la Figura 3.28c, los
poros en muchos de los casos se sobreponen lo que aumenta considerablemente
la adsorción como se aprecia en las Tablas 3.11 y 3.12, pero produce una
disminución de la dureza como se determinó en las Figuras 3.21 y 3.22
97
respectivamente porque estos poros al ser sometidos a abrasión tienden a
romperse con mayor facilidad, debido a la cercanía y al tamaño.
De la secciones 3.3.1 a 3.3.3 se puede establecer que el carbón activado que
presenta las mejores condiciones de adsorción, a pesar de tener una bajísima
dureza, es el obtenido a 950 ºC durante 150 min. Sin embargo, se producirá
carbón activado a 850 ºC debido a que la dureza es un factor determinante para la
adsorción de oro.
La planta de carbón activado de cuesco de coco será construida a una
temperatura de operación de 850 ºC durante 150 min (tA).
3.4 DEFINICIÓN
DEL
DIAGRAMA
DE
FLUJO
Y
DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS PRINCIPALES
PARA LA PRODUCCIÓN DE 10 T/MES DE CARBÓN DE
CUESCO DE COCO
El diagrama de flujo se estableció para una producción de 10 t/mes de carbón
activado a partir de las conchas de coco. Previo al dimensionamiento de equipos,
se estableció la constante cinética tanto de la carbonización como de la activación
con vapor de agua para determinar las dimensiones de los hornos y el tiempo de
residencia.
3.4.1 CINÉTICA DE LOS PROCESOS DE ACTIVACIÓN Y CARBONIZACIÓN
Es necesario establecer las constantes cinéticas (k) del proceso de carbonización
del cuesco de coco y de la activación física con vapor de agua del carbón
producido.
98
3.4.1.1 Cinética de carbonización
Para la cinética de carbonización se utilizaron los datos con los que se elaboró la
Figura 3.1 de la curva TGA del cuesco de coco, los mismos que se encuentran
೏ഀ
ଵ
೏೟
ቇ ܸ‫ ݏ‬െ
detallados en el Anexo X. Para la Figura 3.27 se graficó ݈݊ ቆ ଵିఈ
de la
்
Ecuación 1.23 y se normalizó la curva.
Como se aprecia en la Figura 3.27, la linealización no es aceptable ya que el
coeficiente de correlación no es cercano a 1. Para mejorar la gráfica se asumió
೏ഀ
ଵ
೏೟
ቇ
que la reacción es de segundo grado (n=2), con esto se graficó ݈݊ ቆ ሺଵିఈሻ
మ ܸ‫ ݏ‬െ ் el
mismo que se encuentra en la Figura 3.28.
݈݊((݀ߙ/݀‫)ݐ‬/(1−ߙ)) = 3467,3(-1/T) - 0,4409
R² = 0,6806
-0,0025
-0,002
-0,0015
݈݊((݀ߙ/݀‫)ݐ‬/(1−ߙ)) (1/K)
-0,003
-0,001
0
-0,0005
0
-3
-6
-9
-1/T ( 1/K)
ࢊࢻ
-12
૚
ࢊ࢚
ቇ en función de െ para los datos obtenido de la curva TGA del
Figura 3.27 ࢒࢔ ቆ ૚ିࢻ
ࢀ
cuesco de coco
La Figura 3.28 comprueba que la reacción es de orden 2 porque a pesar de que la
gráfica no tiene un coeficiente de correlación (R 2) deseable (cercano a 1), para
ser datos experimentales éste es aceptable.
A partir de la Ecuación 1.23 y la Figura 3.28 se encontraron las constantes del
proceso. Para hallar la constante cinética (k) se utilizó la Ecuación 1.20 y la
99
temperatura que se usó fue de 500 ºC. Los datos de las constantes halladas se
encuentran en la Tabla 3.15.
݈݊((݀ߙ/݀‫)ݐ‬/(1−ߙ)2 ) = 7243,3(-1/T) + 9,8461
R² = 0,9301
10
݈݊((݀ߙ/݀‫)ݐ‬/(1−ߙ)2 )
6
2
-0,003
-0,0025
-0,002
-0,0015
-0,001
-2
-0,0005
-6
-10
-1/T ( 1/K)
ࢊࢻ
ࢊ࢚
ቇ en función de െ
Figura 3.28 ࢒࢔ ቆ ሺ૚ିࢻሻ
૛
૚
ࢀ
para los datos obtenido de la curva TGA del
cuesco de coco
Tabla 3.15 Valores cinéticos de la reacción de pirolisis del cuesco de coco, obtenidos a
partir de la Figura 3.27
Valor
Unidades
Temperatura (T)
773
K
Energía de Activación (Ea)
60,2208
kJ/mol
Factor de frecuencia (A)
18884,5612
min-1
Constante cinética (k)
1,6092
min-1
Tiempo de conversión (τ)
24,85
min
Estos valores están dentro del rango obtenido por White, et al., (2011) el cual
establece que para una pirolisis entre 250 a 750 ºC los valores están entre 58,9 a
114,8 kJ/mol (p. 11). El tiempo de residencia (τ) se calculó según la Ecuación 3.1
(Levenspiel, 1986, p. 409). Se asumió que el tamaño de partícula no influye en el
tiempo de carbonización.
100
t=
rB
k ´ CA
[3.1]
Donde:
ρB: densidad del cuesco de coco
CA: concentración del gas en el interior del horno
3.4.1.2 Cinética de activación
Para la cinética de activación se utilizó el modelo de conversión progresiva
explicado en la sección 1.3.3.2. Para esto se determinó α para cada grupo de
datos (850 y 950 ºC) en donde se tomó como peso inicial (wo) al carbón precursor
y como peso final (wf) al carbón producido a 150 min. Posteriormente se graficó la
Ecuación 1.29 y se linealizó para cada temperatura para obtener ݇௥ ൈ ‫ܥ‬஺ . Donde
la concentración de A es la concentración de la mezcla gaseosa obtenida a partir
de los datos del Anexo VI. Las Figuras 3.29 y 3.30 muestran la linealización de los
gráficos de la Ecuación 1.29 para 850 y 950 ºC respectivamente, el tratamiento de
datos se encuentra en el Anexo X.
dα/dt = 4,90E-04 krCA - 1,94E-05
R² = 0,99
dα/dt (1/s)
0,0006
0,0004
0,0002
0,0000
0,0
Figura 3.29
ࢊࢻ
ࢊ࢚
0,2
0,4
krCA (1/s)
0,6
0,8
1,0
en función de ૚ െ ࢻ para los datos obtenido del porcentaje de carbón fijo
en el carbón activado de cuesco de coco a 850 ºC
101
Tanto la Figura 3.28, como la 3.29 son rectas cuyo eje de corte con las abscisas
tiende a 0, lo que encaja con la Ecuación 1.32. La poca cantidad de puntos puede
ser una fuente de error, sin embargo, se aceptarán los valores para poder hallar
las constantes cinéticas a las 2 temperaturas dadas.
dα/dt = 4,85E-04 krCA - 3,82E-05
R² = 0,97
dα/dt (1/s)
0,0006
0,0004
0,0002
0,0000
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
krCA (1/s)
Figura 3.30
ࢊࢻ
ࢊ࢚
en función de ૚ െ ࢻ para los datos obtenido del porcentaje de carbón fijo
en el carbón activado de cuesco de coco a 950 ºC
A pesar de que la combustión produce vapor y que la atmósfera también tiene
agua, no se consideró para el cálculo de la cinética de activación ya que el flujo
producido por el calderín es mayor al producido en la reacción. Los resultados se
muestran en la Tabla 3.16.
La Tabla 3.16 muestra que la constante cinética es relativamente elevada, esto se
debe a las altas temperaturas que se requieren para producir este producto.
Además la concentración de vapor de agua es relativamente baja.
Con los datos de las cinéticas tanto de la activación como de la carbonización,
además del flujo de vapor necesario para transformar el carbón en carbón
activado, se elaboró el diseño conceptual.
102
Tabla 3.16 Valores cinéticos de la reacción de activación del carbón de cuesco de coco
activado con vapor de agua obtenidos a partir de las Figuras 3.29 y 3.30
4,90E-4
CA
࢓࢕࢒
൬ ૜
൰
ࢉ࢓ ࢍࢇ࢙
7,88E-6
kr
ࢉ࢓૜ ࢍࢇ࢙
ቆ
ቇ
࢓࢕࢒ ൈ ࢙
62,183
2,61
4,85E-4
8,58E-6
56,527
2,64
Temperatura
(ºC)
krCA
(s-1)
850
950
τ
(h)
3.4.2 DISEÑO CONCEPTUAL Y DISEÑO DE EQUIPOS
Para el diseño conceptual de la planta se consideró: estimación de la cantidad de
cuescos de coco para la producción de carbón activado mediante activación física
con vapor de agua, diseño del proceso, equipos y materiales; ubicación y
dimensionamiento.
Para el diseño de equipos se considera que el proceso es el mismo que se
presenta en la Figura 3.31, por lo que es necesario el dimensionamiento de un
horno rotatorio, un caldero para la producción de vapor, un triturador para producir
el tamaño de partícula deseada de la materia prima y otro para el carbón activado,
una cámara de post combustión, una cámara de enfriamiento y un lavador
húmedo de gases (wet scrubber). A partir de los datos de las Tablas 3.15 y 3.16
se determinaron las dimensiones del horno rotatorio y del caldero que proporcione
la cantidad necesaria de vapor de agua necesario para activar el carbón.
3.4.2.1 Estimación de la cantidad de cuesco de coco necesario para la producción de
carbón activado
Si se considera el peso promedio de una concha de coco y el rendimiento de la
Tabla 3.10 y se asume un rendimiento del 60 % para la activación, se necesita
103
para la producción de 10 t/mes de carbón activado de cuesco, 60 t/mes de
materia prima, aproximadamente 20 000 cuescos de coco diarios.
Si se toma en cuenta la producción de cuesco de coco según el INEC (2011), la
planta recogerá el 22,5 % de la producción nacional, si se toma en cuenta los
mismos datos que el Ecuador arrojó en el 2011.
Figura 3.31 Diagrama de bloques del proceso de producción de carbón activado de cuesco
de coco mediante activación física con vapor de agua
104
3.4.2.2 Dimensionamiento del horno rotatorio
Con los datos obtenidos de las Tablas 3.15 y 3.16 se diseñó el horno rotatorio a
partir de la Ecuación 2.7. Si se considera que el tiempo de residencia es el mismo
que se obtuvo en la Tabla 3.16 (τ) para el carbón producido a 850 ºC, pero
además se modificó para que el horno tenga una longitud para carbonizar y otra
para activar con vapor de agua. Los resultados de las medidas se encuentran en
la Tabla 3.17. Los cálculos se encuentran en el Anexo XI. Se consideró para el
ángulo de reposo, que a pesar de que se carboniza en los primeros metros, este
permanece constante a lo largo del horno rotatorio.
En la Tabla 3.17 se puede observar que las dimensiones son relativamente
pequeñas, esto se debe a la poca producción comparada por ejemplo a la
elaboración de Clinker, en donde se producen 10 t/h y se requieren hornos
rotatorios de 2,7 m de diámetro y 42 m de longitud. Los primeros 40 cm
carbonizarán la materia prima y la longitud restante activará el carbón. Los
cálculos se muestran en el Anexo XI.
Tabla 3.17 Dimensiones del horno rotatorio para producir carbón activado de cuesco de
coco mediante activación física con vapor de agua
Parámetro
Valor
Unidades
t
144
min
L
14
m
Di
1
m
β
2
grados sexagesimales
ω
1
RPM
Q
33,85
grados sexagesimales
Flujo de entrada
250
kg cuesco/h
Flujo de salida
42,375
kg Carbón activado/h
Otro punto importante, además de la determinación de las medidas del horno
rotatorio es encontrar el movimiento de los sólidos en el interior, el mismo que
presenta 2 componentes: axial y transversal.
105
El movimiento axial influye en el tiempo de residencia del cuesco, mientras que el
transversal incide en la transferencia de masa y calor entre los gases y el material
sólido, además de la transferencia de energía entre ellos y las paredes del horno
(Coral, 2011, p. 35). La Figura 3.32 esquematiza los diferentes regímenes de
movimiento del material sólido al interior del horno rotatorio según Boateng (2008,
p. 20). Además la Tabla 3.18 señala la determinación de este régimen según el
número de Froude, el mismo que se calcula a partir de la Ecuación 2.8.
Coral señala (2011): “La efectividad de la transferencia de masa y energía
dependerá del régimen dominante, debido a que cada uno de ellos expone de
forma diferente la capa activa de material sólido a los gases. En el movimiento
deslizante se considera que el lecho de material sólido se mueve como un todo
sin generar ‘ninguna’ condición de mezcla. En el movimiento de caída el material
sólido se eleva como un todo hasta que vence el ángulo de reposo del material y
desciende de forma uniforme. En los movimientos cascada y catarata el
movimiento del material sólido es agresivo generando ‘olas’ al interior del horno.
Este tipo de movimientos se presentan a elevadas velocidades de rotación. El
movimiento centrífugo es una condición crítica, en la cual el material sólido, por
efecto de la fuerza centrífuga, se adhiere a la pared interna del horno y gira a la
misma velocidad, permaneciendo prácticamente estático, sin generar ninguna
condición de mezclado” (p. 35).
Tabla 3.18 Número de Froude y regímenes de movimiento de material sólido
Movimiento
Intervalo
Deslizante
‫ ݎܨ‬൏ ͳ ൈ ͳͲିହ
Caída
Rodante
Cascada
Catarata
Centrífugo
ͳ ൈ ͳͲିହ ൏ ‫ ݎܨ‬൏ Ͳǡ͵ ൈ ͳͲିଷ
Ͳǡͷ ൈ ͳͲିଷ ൏ ‫ ݎܨ‬൏ Ͳǡʹ ൈ ͳͲିଵ
ͲǡͶ ൈ ͳͲିଵ ൏ ‫ ݎܨ‬൏ Ͳǡͺ ൈ ͳͲିଵ
Ͳǡͻ ൏ ‫ ݎܨ‬൏ ͳ
‫ ݎܨ‬൐ ͳǡͲ
(Boateng, 2008, p. 30)
106
Con los datos establecidos en la Tabla 3.17 se determinó que el número de
Fr = 0,0005 que corresponde a un régimen rodante según la Tabla 3.18. A pesar
de eso, por la naturaleza del sólido y del vapor la parte del horno para la
activación necesariamente debe tener una especie de paletas, que puedan
mezclar el carbón con el vapor para que se dé la reacción de activación, la Figura
3.33 muestra un esquema de éste.
Figura 3.32 Esquemas de los diferentes regímenes de movimiento de material sólido al
interior de un horno, modificado
(Boateng, 2008, p. 30)
Figura 3.33 Esquema de las paletas presentes en el horno rotatorio para que se produzca la
reacción de activación entre el carbón y el vapor de agua
107
Para la determinación del poder calórico del combustible se determinó una
combustión incompleta que produce las Ecuaciones 3.2 y 3.3 para el propano y
butano respectivamente, componentes del GLP. Se establecieron estas
ecuaciones ya que según la Figura 2.6, en el horno Nichols se produce tanto
monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2), vapor de agua (H2O) y gas
hidrógeno (H2).
C3 H 8 + 4 O2 ® H 2 + CO + 2CO2 + 3 H 2O
[3.2]
2 C4 H10 + 11 O2 ® 2 H 2 + 2 CO + 6 CO2 + 8 H 2O
[3.3]
A partir de las Ecuaciones 3.2 y 3.3 se elaboró la Tabla 3.19 donde se muestran
los requerimientos energéticos para obtener el carbón activado de cuesco de coco.
Los cálculos se encuentran en el Anexo XI.
Tabla 3.19 Requerimientos Energéticos del horno rotatorio para la producción de carbón
activado de cuesco de coco
Parámetro
Valor
Unidades
GLP requerido
25,00
kg/h
Aire requerido
319,74
kg/h
Flujo volumétrico de aire a
condiciones estándar
(25 ºC y 1 ATM)
267,00
m3/h
λ
0,82
T operación
850
ºC
La Tabla 3.19 muestra una atmósfera reductora, esto es necesario para la
producción de carbón activado y para la minimización de producción de cenizas.
Además la cantidad de GLP requerido es considerable ya que el poder calórico
disminuye debido la combustión incompleta que se produce en el horno. Se eligió
como combustible GLP debido a su facilidad para mezclarse con aire
directamente en el quemador y porque es más fácil controlar la atmósfera.
108
Además se calculó la composición de los gases de salida, la misma que se señala
en la Tabla 3.20.
Tabla 3.20 Composición de los gases de salida del horno
Gas
Flujo
(kg/h)
% Flujo
Flujo molar
(mol/h)
% Molar
H2
1,02
0,30
504,03
3,98
CO2
53,23
15,50
1 209,67
9,56
CO
14,11
4,11
504,03
3,98
H2O
30,85
8,98
1 713,7
13,54
N2
244,22
71,11
8 722,13
68,93
TOTAL
343,43
100,00
12 653,56
100,00
Los valores obtenidos de la Tabla 3.20 son similares a los datos experimentales
del horno Nichols Herreshoff mono solera para ese valor de λ (0,82). Estos
valores se encuentran en la Figura 2.6.
Los valores calculados difieren a los experimentales del horno Nichols Herreshoff
para CO y H2, ya que éstos son iguales en la Tabla 3.20, mientras que en la
Figura 2.6 existe mayor composición de gas hidrógeno que de CO. El valor del
vapor de agua y del CO2 es muy similar.
Como indica la Tabla 3.20 es necesario construir una cámara de postcombustión
que elimine los gases de efecto invernadero como el gas hidrógeno y el monóxido
de carbono.
3.4.2.3 Dimensionamiento de la sección de reducción y clasificación de tamaño de la
materia prima
Se debe dimensionar un equipo de reducción de tamaño y clasificación para la
materia prima que se introducirá al horno. Se escogió una trituradora de
mandíbulas, las especificaciones se encuentran en la Tabla 3.21.
109
Las características para la elección de la trituradora de mandíbulas de la
Tabla 3.21 coinciden con el diámetro del cuesco de coco promedio obtenido
experimentalmente y señalado en la Tabla 3.1, además de la producción mínima
de la Tabla 3.17.
Tabla 3.21 Especificaciones de la trituradora de mandíbulas usada para la reducción de
tamaño del cuesco de coco
Valor
Unidades
Modelo
LB-1510
Abertura
100 ൈ 150
mm
1,325
kW
0,4
t/h
Motor
Producción
Después del proceso de reducción de tamaño del cuesco de coco, se clasifica por
medio de un tamizador grizzly a 5 000 μm, cuya área de clasificación es de
50,90 cm2, es muy pequeño debido a la poca producción de la planta.
Del ingreso al grizzly, se supuso que el 80 % pasa por el mismo debido a la
determinación del d80 que se encuentra en la Tabla 3.2. Además según la misma,
el 6 % del total presenta un tamaño menor a malla 10 (1 650 μm).
El cuesco de coco a un tamaño menor a 1 650 μm se considera un subproducto
que podría ser de igual manera comercializado como carbón activado. El grizzly
que separa esta fracción tiene un área de 128 cm2. Finalmente se diseñó una pila
stock para una reserva de 2 días, no se consideró mucho tiempo debido a que
este material puede atraer plagas como ratones. Las dimensiones de esta pila
stock son: 0,95 m de alto y 2,82 m de longitud. Los cálculos se muestran en el
Anexo XI.
110
3.4.2.4 Dimensionamiento de la sección de reducción y clasificación de tamaño del
carbón activado producido
Una vez que la materia prima sea enfriada es necesario reducir de tamaño para
producir carbón activado 6ൈ12, es decir tamaño de partícula entre # Tyler Nº 6 y
12 (1 650 μm y 1 410 μm). Para esto, se escogió una trituradora de rodillos, las
especificaciones se encuentran en la Tabla 3.22.
Tabla 3.22 Especificaciones de la trituradora de mandíbulas usada para la reducción de
tamaño del cuesco de coco
Valor
Unidades
Modelo
VK-18/30
Abertura
470 ൈ 285
mm
7,5
kW
0,5
t/h
Motor
Producción
Después del proceso de reducción de tamaño del carbón activado de cuesco de
coco producido se clasifica por medio de un tamizador grizzly a 1 650 μm, cuya
área de clasificación es de 91,44 cm2. Del ingreso al grizzly, se supuso que el
60 % pasa por el mismo, además también se asumió que el 10 % del total
presenta un tamaño menor a malla 12 (1 410 μm).
El cuesco de coco a un tamaño menor a 1 410 μm se considera un subproducto
que podría ser de igual manera comercializado como carbón activado. El grizzly
que separa esta fracción tiene un área de 64,44 cm2. Los cálculos se muestran en
el Anexo XI.
3.4.2.5 Dimensionamiento de la cámara de enfriamiento
La cámara de enfriamiento consta de un tornillo sinfín cubierto de una chaqueta
por la que circula agua a temperatura ambiente. El fin es poder manipular el
carbón activado para su posterior embalaje (Luna, et al., 2007, p. 47). Las
111
dimensiones se encuentran en la Tabla 3.23. Los cálculos se encuentran en el
Anexo XI.
Tabla 3.23 Dimensiones de la cámara de enfriamiento
Parámetro
Valor
Unidades
Flujo de entrada (carbón)
41,7
kg/h
Diámetro interno
0,47
m
Diámetro externo
0,56
m
Longitud interna
14
m
Caudal de agua
1 388,89
kg/h
3.4.2.6 Dimensionamiento del caldero
Una vez que se tiene dimensionado el horno rotatorio su consumo energético y la
cámara de enfriamiento, es necesario determinar las dimensiones del caldero, el
flujo de vapor que produce y la cantidad de combustible que se necesita para su
funcionamiento.
A partir de la Tabla 3.16 se encontró la cantidad de agua necesaria para inyectar
al horno para mantener la concentración de vapor constante. Es necesario indicar
que el agua proveniente de la cámara de enfriamiento irá al caldero, con eso se
aprovechará el calor de la cámara. Los datos de diseño del caldero se encuentran
en la Tabla 3.24. Los cálculos se encuentran en el Anexo XI.
La Tabla 3.24 muestra las dimensiones con las que se deberá construir el caldero.
Además se señala el combustible que se usó para los cálculos que es diésel. El
consumo de éste es considerable al igual que la cantidad de vapor de agua que
se necesita para activar el carbón. La temperatura con que entra el vapor de agua
es suficiente ya que los gases de combustión del horno giratorio también los
calentarán.
112
Tabla 3.24 Dimensiones del caldero para el vapor de agua que activará el carbón de
cuesco de coco
Valor
Unidades
Altura de la caldera
4 000
mm
Diámetro de la caldera
1 570
mm
Altura de la caja de fuego
2 950
mm
Número de tubos hervidores
5
Diámetro de tubos hervidores
250
Combustible
mm
Diésel
Consumo de combustible
1 029,86
gal/mes
Ingreso de agua al caldero
1 660,53
kg/h
200
ºC
2 063,54
kg/d
T vapor de salida
Flujo de aire
3.4.2.7 Dimensionamiento de los tanques de reserva de combustible
Es necesario tener tanques de almacenamiento para los combustibles. El
abastecimiento será semanal. La Tabla 3.25 muestra las dimensiones de cada
uno de ellos, los cálculos se presentan en el Anexo XI.
Tabla 3.25 Dimensiones de los tanques de reserva de combustible
GLP
Diésel
Forma
Volumen
(m3)
Altura
(m)
Largo
(m)
Cilindro horizontal
3,0
1,6
2,0
Cilindro vertical
1,4
1,6
1,1
La Tabla 3.25 señala que la altura es la misma para los 2 tanques de reserva.
Esto fue calculado para que sea aproximadamente la altura de un operario o de la
persona que despacha el combustible. Además para los 2 tanques se realizó un
factor de seguridad del 30 %.
113
3.4.2.8 Dimensionamiento de la cámara de post-combustión
Al trabajar en atmósfera reductora es necesario construir una cámara de
postcombustión que reduzca la producción de gases de efecto invernadero. Este
equipo servirá para producir CO2 y vapor de agua a partir del H2 y CO
respectivamente, según las Ecuaciones 3.4 y 3.5.
1
H 2 + O2 ® H 2O
2
[3.4]
1
CO + O2 ® CO2
2
[3.5]
Como son reacciones exotérmicas, se asumió que se necesitará en el quemador
el 5 % en moles de GLP del total de estos 2 reactivos, mostrados en la Tabla 3.20,
además se necesitará un exceso de aire del 20%. La Tabla 3.26 indica las
dimensiones de la cámara. Los cálculos se muestran en el Anexo XI.
Tabla 3.26 Dimensiones de la cámara de post-combustión
Valor
Modelo
Unidades
CP - 1 000
Potencia máxima
300 000
kcal
Diámetro interior
90
cm
Longitud interna
160
cm
6
s
Tiempo de residencia
Combustible
Consumo de combustible
Flujo de aire
T salida de los gases
GLP
2,5
kg/h
62,62
kg/h
900
ºC
Como se observa en la Tabla 3.26, los gases de salida tienen una temperatura
muy elevada por lo que es necesario diseñar un lavador húmedo que disminuya
ésta para que no se produzca una contaminación térmica. La Tabla 3.27 señala la
composición de los gases que se producen en la cámara de postcombustión.
114
Tabla 3.27 Composición de los gases de salida del horno
Gas
Flujo
(kg/h)
% Flujo
Flujo molar
(mol/h)
% Molar
CO2
5,32
5,02
120,97
3,22
H2O
3,09
2,91
171,37
4,56
N2
93,02
87,64
3 321,99
88,32
O2
4,71
4,44
147,18
3,91
TOTAL
106,13
100,00
3 761,51
100,00
3.4.2.9 Dimensionamiento del lavador de gases de combustión
La Tabla 3.28 señala los gases de entrada al lavador de gases de combustión, los
mismos que son la sumatoria de la Tabla 3.22 y 3.27.
Tabla 3.28 Composición de los gases de salida del horno
Gas
Flujo
(kg/h)
% Flujo
Flujo molar
(mol/h)
% Molar
CO2
58,55
13,48
1 330,64
8,64
H2O
33,94
7,81
1 885,07
12,24
N2
337,24
77,63
12 044,12
78,17
O2
4,71
1,08
147,18
0,96
TOTAL
434,43
100,00
15 407,01
100,00
La Tabla 3.29 muestra las características del lavador de gases de combustión.
Los cálculos se muestran en el Anexo XI.
Tabla 3.29 Dimensiones del lavador de gases de combustión
Valor
Unidades
Temperatura de entrada de gases
900
ºC
Temperatura de salida de gases
125
ºC
Temperatura de entrada del agua
25
ºC
Temperatura de salida del agua
90
ºC
1 490
kg/h
Consumo de agua
115
Finalmente se muestra en la Tabla 3.30 el resumen del balance de masa de todas
las corrientes.
Tabla 3.30 Resumen de los flujos que intervienen en el proceso de producción de carbón
activado de cuesco de coco mediante activación física con vapor de agua
Trituración y
clasificación
[t/mes]
Almacenamiento
[t/mes]
Carbonización
[t/mes]
Activación
[t/mes]
Empacado
[t/mes]
Cuesco
72
12
60
------
------
Carbón
------
------
------
16,7
------
Carbón activado
------
------
------
------
10
Vapor de agua
------
------
------
398,52
------
Diésel
------
------
------
5 231,79
------
GLP
------
5,63
5,63
------
------
Aire
------
75,13
75,13
61,91
------
Se elaboró la vista de la planta para proponer las medidas de la misma, la misma
que se encuentra detallada en la Figura 3.33.
La Tabla 3.31 señala las diferentes áreas de la planta.
Tabla 3.31 Distribución de la planta según la Figura 3.34
Número
Zona
Número
Zona
1
Descarga de material
7
Vestidores y baños
2
Tanque de reserva de GLP
8
Oficinas
3
Horno
9
parqueaderos
4
Caldero
10
Cámara de enfriamiento
5
Tanque de reserva de diésel
11
Cámara de postcombustión
6
Trituración y clasificación
12
Trituradora de rodillos
13
Lavador de gases de combustión
En la Figura 3.33 no se señalan ninguno de los 2 tanques de almacenamiento de
los combustibles.
Figura 3.34 Vista de la planta de producción de cuesco de coco
116
117
3.5 EVALUACIÓN DE LA FACTIBILIDAD ECONÓMICA DE LA
PLANTA PARA UNA PRODUCCIÓN DE 10 T/MES
Para el análisis económico se consideró las capacidades indicadas en la sección
3.4.2. Una vez realizado el diseño conceptual de la planta, se encontró los costos
de los equipos, insumos, materia prima, gastos de inversión, costos operativos,
pero encontrar el flujo de caja anual y por medio de los indicadores TIR y VAN,
encontrar la viabilidad del proyecto. La Tabla 3.32 resume los equipos y su costo.
Tabla 3.32 Gastos de inversión
Valor
Contribución
porcentual
Terreno y construcciones
$53 900,00
31,89
Maquinaria y equipo
$69 050,00
40,85
Instalación de maquinaria y equipos
$20 715,00
12,26
Tuberías y accesorios
$2 000,00
1,18
Equipo y muebles de oficina
$1 305,00
0,77
$21 095,50
13,04
$169 015,50
100,00
Denominación
Inversión fija
Capital de operación
TOTAL INVERSIONES
La Tabla 3.32 indica que el mayor porcentaje de los gastos de inversión se
presentan en la adquisición del terreno y la construcción de la obra civil y la
maquinaria y equipos, aproximadamente el 72 %.
La Tabla 3.33 señala la maquinaria y equipos que se usarán en la implementación
de la planta, se consideraron que se usarán bombas para: el caldero, enfriador del
carbón activado y el lavador de gases de combustión. Los compresores se usarán
en la cámara de postcombustión, horno y caldero.
118
Tabla 3.33 Maquinaria y equipo usado en el proceso de implementación de la planta
Número de
unidades
Valor Unitario
Valor Total
Dividendo
Anual de
Amortización
Trituradora de mandíbulas
1
$2 000,00
$2 000,00
$400,00
Caldero
1
$5 000,00
$5 000,00
$1 000,00
horno Rotatorio
1
$25 000,00
$25 000,00
$5 000,00
Enfriador de chaqueta
1
$2 500,00
$2 500,00
$500,00
ensacador
1
$3 000,00
$3 000,00
$600,00
bombas
3
$1 000,00
$3 000,00
$600,00
zarandas
4
$500,00
$2 000,00
$400,00
bandas transportadores
1
$800,00
$800,00
$160,00
tanques de reserva
2
$4 000,00
$8 000,00
$1 600,00
compresor
3
$1 250,00
$3 750,00
$750,00
Cámara de post combustión
1
$8 000,00
$8 000,00
$1 600,00
Trituradora de rodillo
1
$2 000,00
$2 000,00
$400,00
Lavador de gases
1
$10 000,00
$10 000,00
$2 000,00
$75 050,00
$15 010,00
Designación del equipo
TOTAL
En la tabla 3.34 se observa los costos de materia prima e insumos.
Tabla 3.34 Costos de materia prima e insumos
Costo
unitario
Cantidad de
Materia Prima
por día
Cantidad de
materia
prima por
mes
Cuesco de coco
0,03
2 000
60 000
720 000
$21 600,00
vapor de agua
$1,00
75,6
1 134
13 608
$13 608,00
electricidad
$0,15
200
4.000
48.000
$7 200,00
Gas
$0,80
285,74
4 286
51 434
$41 147,57
Combustible diésel
$0,80
38
759
9 113
$7 290,24
122 155
$69.245,81
Designación
del insumo
TOTAL
La Tabla 3.35 muestra el costo anual de producción.
Cantidad de
Costo de
materia
materia
prima por
prima por año
año
119
Tabla 3.35 Costos anuales de producción
Designación del rubro
Valor
Costos Fijos
Costos
variables
Unitarios
Contribución
porcentual
$0,18
11,07
Materiales directos
$21 600,00
Mano de obra directa
$32 346,41
$32 346,41
16,57
Mano de obra indirecta
$32 346,41
$32 346,41
16,57
Materiales indirectos
$69 245,81
Carga Fabril
$0,57
35,48
Depreciaciones
Construcciones
$2 390,00
$2 390,00
1,22
Maquinaria y Equipo
$15 010,00
$15 010,00
7,69
$261,00
$261,00
0,13
$3.000,00
$3.000,00
1,54
Maquinaria y Equipo
$750,50
$750,50
0,38
Edificios
$478,00
$478,00
0,24
Muebles y equipos de oficina
Otros Activos
Mantenimiento
SUB-TOTAL COSTOS DE PRODUCCIÓN
Imprevistos
$177 428,13
$17 742,81
TOTAL, COSTOS ANUALES DE PRODUCCIÓN
$195 170,95
9,09
$86 582,33
$0,74
100,00
El precio de venta del carbón activado producido es de $1,50 cada Kilogramo, lo
que representa ventas anuales de $ 180 000. Se estimó un horizonte de 10 años
de operación para la planta. Con base en lo anterior se elaboró el flujo de fondos
anuales para calcular los indicadores económicos: TIR y VAN. Los resultados
presentan en la Tabla 3.36.
Tabla 3.36 Indicadores económicos obtenidos para la producción de carbón activado de
cuesco de coco mediante activación física
Indicador
Valor
TIR
18 %
VAN
$ 22 000,26
Según la Tabla 3.36 el proyecto puede considerarse rentable ya que se tiene
mayor interés que el del mercado que es apenas del 10 %. Además cabe aclarar
que el capital inicial con el que fueron calculados todos estos valores es de
$ 125 000.
120
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
·
El cuesco de coco es un material de alta dureza (98 %), además se
considera un buen material para la elaboración de carbón activado debido
a su gran contenido de biomoléculas como: celulosa (30,96 %) y lignina
(35,77 %)
·
Otro factor que hace al cuesco de coco un gran material para la
elaboración de carbón activado es su estructura, las fotografías en el MEB
demostraron una estructura similar a la materia prima del carbón producido.
·
La dureza del cuesco de coco es inversamente proporcional a la
temperatura y tiempo de carbonización. En las pruebas de laboratorio el
carbón producido a 400 ºC y 1 h tuvo la mayor dureza, mientras que el
carbón producido a la mayor temperatura (600 ºC) y 2 h perdió mucho
porcentaje de ésta.
·
En la carbonización ya existe una presencia de poros, esto se traduce
debido al aumento de densidad aparente en función de la temperatura y
tiempo de pirolisis. El carbón a 600 ºC y 2 h presenta la mayor densidad
aparente. Sin embargo, la densidad real disminuye, por los agrietamientos
de la biomasa.
·
El porcentaje de carbón fijo es inversamente proporcional a la dureza, esto
se debe primero a la formación de poros que se presenta en la pirolisis y a
la volatilización de materiales que daban rigidez a la materia prima. En la
pruebas de laboratorio el carbón producido a 2 h y 600 ºC obtuvo la menor
dureza, pero el mayor porcentaje de carbón fijo.
121
·
El rendimiento de la carbonización de cuesco de coco es muy bajo, se
obtiene un promedio de 28,25 % y disminuye al aumento de temperatura.
·
La atmósfera controlada en el horno piloto Nichols Herreshoff mono solera
mejora la calidad del carbón producido, ya que disminuye la cantidad de
ceniza, esto se debe al mejor control de la atmósfera reductora que sirve
para pirolizar el cuesco de coco.
·
La temperatura de carbonización (TC) y tiempo de pirolisis (tP) obtenidos
en este trabajo fue de 500 ºC y 30 min respectivamente, se tomaron estos
valores debido a la mejor relación dureza-contenido de carbón fijo.
·
El carbón activado que se produce a partir del cuesco de coco presenta
propiedades adsortivas muy satisfactorias, un índice de yodo de más de
1 000, sin embargo, el mayor problema que presenta esta materia prima es
la pérdida drástica de dureza debido al gran agrietamiento producido por el
vapor de agua y las altas temperaturas (850 y 950 ºC).
·
El diagrama de proceso obtenido consta de: trituración y clasificación de la
materia prima, carbonización y activación física con vapor de agua
cianuración, enfriamiento y ensacado. Este esquema permite el ahorro de
energía y costos debido al uso de un solo horno para los 2 procesos
principales.
·
El análisis económico realizado mostro la factibilidad económica de
implementar una planta de obtención de carbón activado de cuesco de
coco mediante activación física con vapor de agua. Con una producción
mensual de 10 t y un horizonte de 10 años de funcionamiento se determinó
una rentabilidad del 18 % y valor actual neto de 22 000,26 USD.
122
4.2 RECOMENDACIONES
·
Realizar estudios de activación química para la producción de carbón
activado de cuesco de coco, debido a la menor temperatura que se
requiere para producirlo.
·
Evaluar energéticamente las condiciones de operación del diseño del horno
para un mejoramiento del rendimiento económico de la planta.
·
Realizar estudios de activación física y química para la producción de
carbón activado de cuesco de coco a menor tamaño de partícula.
123
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133
ANEXOS
134
I. ANEXO I
MUESTREO DE LAS CONCHAS DE COCO
Objetivo: Determinar las principales dimensiones de una muestra significativa de
conchas de coco.
En la Figura AI.1 se muestran las dimensiones de la concha de coco y en la Tabla
AI.1 se presentan los resultados.
Figura AI.1 Dimensiones de la concha de coco tomadas en el muestreo
Tabla AI.1 Dimensiones de la concha de coco tomadas en el muestreo
M
Peso
(g)
D
(cm)
d
(cm)
e
(cm)
M
Peso
(g)
D
(cm)
d
(cm)
e
(cm)
M
Peso
(g)
D
(cm)
d
(cm)
e
(cm)
1
129,4
11,9
7,0
0,2
11
107,0
11,8
4,4
0,2
21
127,0
12,0
6,4
0,1
2
64,8
11,4
5,4
0,1
12
111,6
10,6
5,6
0,2
22
96,5
12,0
4,2
0,2
3
69,1
11,8
4,0
0,1
13
116,9
11,8
6,2
0,3
23
62,4
11,4
4,2
0,1
4
107,1
13,6
5,4
0,1
14
133,1
12,6
5,2
0,3
24
92,7
12,4
5,4
0,1
5
61,1
12,0
3,8
0,2
15
133,1
11,6
6,2
0,3
25
99,2
11,8
4,6
0,1
6
62,2
11,0
5,0
0,2
16
117,8
11,2
4,8
0,2
26
113,8
11,6
6,0
0,2
7
133,0
13,0
6,6
0,3
17
121,6
12,6
5,4
0,1
27
125,8
10,8
6,8
0,2
8
62,9
10,8
5,2
0,2
18
108,8
11,4
4,4
0,1
28
76,1
12,0
5,8
0,1
9
54,1
4,0
4,0
0,1
19
120,9
12,2
5,8
0,1
29
100,5
12,6
6,6
0,1
10
106,7
12,4
5,0
0,1
20
76,0
10,2
4,2
0,2
30
121,1
11,6
5,6
0,1
135
II. ANEXO II
DETERMINACIÓN DEL d80 PARA LA MATERIA PRIMA MOLIDA
EN LA TRITURADORA DE MANDÍBULAS
Tabla AII.1 Ensayo granulométrico del cuesco de coco triturado
Malla #
Abertura
tamiz (μm)
log dp
Peso
retenido
(g)
% Retenido
% Retenido
Acumulado
% Pasado
Acumulado
3/8 in
9 500
3,98
5,2
1,74
1,74
98,26
3
6 730
3,83
24,2
8,08
9,82
90,18
4
4 760
3,68
34,9
11,65
21,47
78,53
6
3 360
3,53
64,5
21,54
43,01
56,99
8
2 380
3,38
92,7
30,95
73,96
26,04
10
1 650
3,22
60,1
20,07
94,02
5,98
14
1 400
3,15
16,1
5,38
99,40
0,60
retenido
-1 400
1,8
0,60
100,00
0,00
299,5
100,00
8000
10000
TOTAL
Porcentaje pasado acumulado
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2000
4000
6000
Abertura (μm)
Figura AII.1 Curva granulométrica para procesadores plásticos molidos
Con base en la curva granulométrica se determinó que el d 80 de la muestra
analizada fue de 5 000 μm.
136
III. ANEXO III
FICHAS TÉCNICAS CONTENIDO DE VOLÁTILES CENIZAS Y
CARBÓN FIJO
Ficha Técnica Nº 1
Muestra: Conchas de coco
Ensayo No: 1
Objetivo: Determinar el contenido de volátiles cenizas y carbón fijo de la materia
prima
Tabla AIII.1 Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y carbón fijo de
la materia prima
crisol
(g)
19,9913
Crisol + tapa
(g)
Muestra
(g)
28,9220
1,0048
M1
(g)
M2
(g)
29,1379
19,9991
Volátiles
(%)
Cenizas
(%)
carbón fijo
(%)
78,51
0,78
20,71
Donde:
M1: peso del crisol con tapa una vez que se carbonizó a 950 ºC durante 7 min
M2: peso del crisol sin tapa una vez que se carbonizó a 950 ºC durante 2 h
Ejemplo de cálculo
Vola (%) =
Vola (%) =
Muestra
´100
[AIII.1]
1,0048 - (29 ,1379 - 28,9220 )
´ 100 = 78,51
1,0048
Cen (%) =
Cen (%) =
Muestra - (M 1 - PCrisol +tapa )
(M 2 - PCrisol ) ´100
Muestra
[AIII.2]
(19,9991 - 19 .9913 ) ´100 = 0,78
1,0048
C f (%) = 100 - Vola (%) - Cen(%)
C f (%) = 100 - 78,51 - 0,78 = 20 ,71
[AIII.3]
137
Ficha Técnica Nº 2
Muestra: Carbón producido de cuesco de coco a diferentes temperaturas y
tiempos a escala de laboratorio
Ensayo No: 2
Objetivo: Determinar el contenido de volátiles cenizas y carbón fijo del cuesco de
coco carbonizado a escala de laboratorio a diferentes temperaturas y tiempos.
Tabla AIII.2 Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y carbón fijo del
cuesco de coco carbonizado a diferentes temperaturas y tiempos
Temperatura
(ºC)
400
500
600
Tiempo
(min)
crisol
(g)
Crisol + tapa Muestra
(g)
(g)
M1
(g)
M2
(g)
Volátiles
(%)
Cenizas
(%)
carbón fijo
(%)
60
19,9953
28,9268
1,0039
29,6420
20,1370
28,76
14,11
57,13
90
20,0054
28,9364
0,9939
29,6475
20,1458
28,45
14,13
57,42
120
20,0084
28,9395
1,0037
29,6677
20,1502
27,45
14,13
58,42
60
20,0189
28,9503
1,0065
29,7557
20,1383
19,98
11,86
68,16
90
20,0272
28,9590
1,0096
29,7698
20,1370
19,69
10,88
69,43
120
20,0334
28,9660
1,0027
29,7786
20,1424
18,96
10,87
70,17
60
20,0428
28,9755
1,0046
29,8304
20,1112
14,90
6,81
78,29
90
20,0540
28,9875
1,0031
29,8415
20,1130
14,86
5,88
79,25
120
20,0728
29,0072
1,0018
29,8647
20,1229
14,40
5,00
80,59
138
Ficha Técnica Nº 3
Muestra: Carbón producido de cuesco de coco a diferentes temperaturas y
tiempos a escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera
Ensayo No: 3
Objetivo: Determinar el contenido de volátiles cenizas y carbón fijo del cuesco de
coco carbonizado a diferentes temperaturas y tiempos en el horno piloto.
Tabla AIII.3 Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y carbón fijo del
cuesco de coco carbonizado a diferentes temperaturas y tiempos
Temperatura
(ºC)
crisol
(g)
Crisol + tapa
(g)
Muestra
(g)
M1
(g)
M2
(g)
Volátiles
(%)
Cenizas
(%)
carbón fijo
(%)
364
20,0663
29,0009
1,0000
29,3330
20,0751
66,79
0,88
32,33
447
20,0839
29,0186
1,0090
29,6988
20,1826
32,59
9,78
57,63
496
20,0738
29,0083
0,9812
29,7633
20,1693
23,05
9,73
67,21
546
20,0681
29,0029
1,0004
29,8655
20,1521
13,77
8,40
77,83
576
20,0689
29,0031
0,9919
29,8717
20,1307
12,43
6,23
81,34
139
Ficha Técnica Nº 4
Muestra: Carbón producido de cuesco de coco a 500 y 600 ºC y diferentes
tiempos a escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera.
Ensayo No: 4
Objetivo: Determinar el contenido de volátiles cenizas y carbón fijo del cuesco de
coco carbonizado a 500 y 600 ºC y diferentes tiempos en el horno piloto Nichols.
Tabla AIII.4 Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y carbón fijo del
cuesco de coco carbonizado a 500 ºC y diferentes tiempos en el horno Nichols
Temperatura
(ºC)
500
600
Tiempo
(min)
crisol
(g)
Crisol + tapa Muestra
(g)
(g)
M1
(g)
M2
(g)
Volátiles
(%)
Cenizas
(%)
carbón fijo
(%)
10
19,8239
31,4887
1,0062
32,1871
19,8788
30,59
5,46
63,95
20
25,2497
37,9505
1,0032
38,6821
25,3042
27,07
5,43
67,49
36
20,0697
29,0046
0,9986
29,7726
20,1241
23,09
5,45
71,46
57
25,2645
37,9649
1,0022
38,7399
25,3186
22,67
5,40
71,93
60
19,8379
31,5026
1,0005
32,2750
19,8925
22,80
5,46
71,74
82
20,0742
29,0093
1,0010
29,7935
20,1286
21,66
5,43
72,91
98
19,8582
31,5229
1,0033
32,3089
19,9080
21,66
4,96
73,38
100
25,2884
37,9898
1,0000
38,7780
25,3372
21,18
4,88
73,94
120
20,1134
29,0490
0,9994
29,8416
20,1613
20,69
4,79
74,51
18
19,8924
30,0874
1,0002
30,9274
19,9467
16,02
5,43
78,55
40
20,0888
29,0099
0,9996
29,8533
20,1390
15,63
5,02
79,35
64
25,3075
38,0098
0,9989
38,8580
25,3569
15,09
4,95
79,97
82
20,2242
30,0016
1,0012
30,8541
20,2735
14,85
4,92
80,22
101
25,3065
38,0082
0,9949
38,8574
25,3547
14,64
4,84
80,51
162
20,2222
29,1591
1,0045
30,0174
20,2671
14,55
4,47
80,98
180
19,8823
30,0677
1,0015
30,9235
19,9260
14,55
4,36
81,09
140
Ficha Técnica Nº 5
Muestra: Carbón activado producido de cuesco de coco a 850 y 950 ºC a
diferentes tiempos a escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera.
Ensayo No: 5
Objetivo: Determinar el contenido de volátiles cenizas y carbón fijo del carbón
activado de cuesco de coco mediante activación física con vapor de agua a
escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera a una temperatura
constante de 850 y 950 ºC a diferentes tiempos.
Tabla AIII.5 Ensayo de determinación del contenido de volátiles cenizas y carbón fijo del
cuesco de coco carbonizado a 600 ºC y diferentes tiempos en el horno Nichols
crisol
(g)
Crisol +
tapa
(g)
Muestra
(g)
0
25,3152
35,5011
1,0030
30
19,9348
32,5392
60
21,2781
90
Temperatura Tiempo
(ºC)
(min)
850
950
M1
(g)
M2
(g)
Volátiles
(%)
Cenizas
(%)
carbón fijo
(%)
36,2502 25,3348
25,31
1,95
72,73
1,0036
33,4116 19,9654
13,07
3,05
83,88
33,3279
0,9979
34,2017 21,3090
12,44
3,10
84,47
19,9573
32,6621
1,0033
33,5438 19,9880
12,12
3,06
84,82
120
21,2898
33,3398
1,0095
34,2352 21,3208
11,30
3,07
85,63
150
25,3327
35,5187
1,0068
36,4132 25,3636
11,15
3,07
85,78
30
19,9746
32,6769
1,0038
33,5988 20,0050
8,16
3,03
88,81
60
25,3406
35,5268
1,0044
36,4500 25,3710
8,08
3,03
88,89
90
21,2960
33,3461
0,9973
34,2790 21,3260
6,46
3,01
90,53
120
20,0189
28,9503
1,0095
29,8995 20,0499
5,97
3,07
90,96
150
20,0540
28,9875
0,9984
29,9416 20,0850
4,44
3,10
92,46
141
IV. ANEXO IV
FICHAS TÉCNICAS DE DENSIDAD REAL, DENSIDAD APARENTE
Y DUREZA
Ficha Técnica Nº 1
Muestra: Conchas de coco
Ensayo No: 1
Objetivo: Determinar la densidad real, densidad aparente y dureza de la materia
prima
Tabla AIV.1 Ensayo de determinación de la densidad real de la materia prima
Muestra
Peso muestra
(g)
Peso muestra + agua
(g)
Peso agua
(g)
Densidad
(g/cm3)
Materia Prima
1,0069
25,5170
25,0127
2,0034
.
Tabla AIV.2 Ensayo de determinación de la densidad aparente y dureza de la materia
prima
Muestra
Peso inicial
(g)
Materia Prima
* Volumen = 100 cm3
Peso final
(g)
Dureza
(%)
Densidad aparente
(g/cm3)*
57,06
97,957
0,5825
58,25
Ejemplo de cálculo
d=
d=
1
é g ù
W pic + H 2O - W pic + H 2O + m êë cm 3 úû
1+
Wm
1
é g ù
= 2,0034 ê 3 ú
25,0127 - 25,5170
ë cm û
1+
1,0069
[AIV.1]
142
Ficha Técnica Nº 2
Muestra: Carbón producido de cuesco de coco a diferentes temperaturas y
tiempos a escala de laboratorio
Ensayo No: 2
Objetivo: Determinar la densidad real del cuesco de coco carbonizado a escala
de laboratorio a diferentes temperaturas y tiempos.
Tabla AIV.3 Ensayo de determinación de la densidad real del cuesco de coco carbonizado
a diferentes temperaturas y tiempos a escala de laboratorio
Temperatura
(ºC)
Tiempo
(min)
Peso inicial
(g)
Peso final
(g)
Dureza
(%)
Densidad aparente
(g/cm3)*
60
1,0027
25,1217
24,9396
1,2219
90
1,0170
25,0644
24,867
1,2408
120
0,9941
25,0719
24,8736
1,2492
60
0,9970
25,1432
24,9855
1,1879
90
0,9953
25,1180
24,9552
1,1956
120
0,9934
25,1541
24,9904
1,1973
60
0,9945
25,0531
24,9221
1,1517
90
1,0019
25,1008
24,9543
1,1713
120
0,9967
25,1125
24,9653
1,1733
400
500
600
* Volumen = 100 cm
3
143
Ficha Técnica Nº 3
Muestra: Carbón producido de cuesco de coco a diferentes temperaturas y
tiempos a escala de laboratorio
Ensayo No: 3
Objetivo: Determinar la dureza en porcentaje y densidad aparente del cuesco de
coco carbonizado a escala de laboratorio a diferentes temperaturas y tiempos.
Tabla AIV.4 Ensayo de determinación de la densidad aparente y dureza del cuesco de
coco carbonizado a diferentes temperaturas y tiempos a escala de laboratorio
Temperatura (ºC)
400
500
600
* Volumen = 100 cm3
Tiempo
(min)
Peso inicial
(g)
Peso final
(g)
Dureza
(%)
Densidad aparente
(g/cm3)*
60
48,62
46,98
96,627
0,4862
90
48,75
46,82
96,041
0,4875
120
48,98
46,55
95,039
0,4898
60
49,55
47,04
94,934
0,4955
90
51,37
48,54
94,491
0,5137
120
52,4
49,38
94,237
0,5240
60
51,17
48,22
94,235
0,5117
90
52,21
49,06
93,967
0,5221
120
53,04
49,73
93,759
0,5304
144
Ficha Técnica Nº 4
Muestra: Carbón producido de cuesco de coco a 500 y 600 ºC y diferentes
tiempos a escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera.
Ensayo No: 4
Objetivo: Determinar la dureza en porcentaje y densidad aparente del cuesco de
coco carbonizado a escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera a
una temperatura constante de 500 y 600 ºC y diferentes tiempos.
Tabla AIV.5 Ensayo de determinación de la densidad aparente y dureza del cuesco de
coco carbonizado a 500 ºC y diferentes tiempos en el horno Nichols
Temperatura
(ºC)
500
600
Tiempo
(min)
Peso inicial
(g)
Peso final
(g)
Dureza
(%)
Densidad aparente
(g/cm3)*
10
46,63
44,36
95,132
0,4663
20
48,01
45,62
95,022
0,4801
36
47,98
45,57
94,977
0,4798
57
47,95
45,48
94,849
0,4795
60
48,25
45,74
94,798
0,4825
82
50,43
47,71
94,606
0,5043
98
51,28
48,37
94,325
0,5128
100
51,32
48,37
94,252
0,5132
120
52,04
48,88
93,928
0,5204
18
48,75
46,82
96,041
0,4875
40
48,98
46,55
95,039
0,4898
64
49,55
46,65
94,147
0,4955
82
51,17
48,11
94,020
0,5117
101
51,37
48,21
93,849
0,5137
162
52,4
48,89
93,302
0,5240
180
52,58
48,99
93,172
0,5258
* Volumen = 100 cm
3
145
Ficha Técnica Nº 5
Muestra: Carbón activado producido de cuesco de coco a 850 y 950 ºC a
diferentes tiempos a escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera.
Ensayo No: 5
Objetivo: Determinar la dureza en porcentaje y densidad aparente del carbón
activado de cuesco de coco mediante activación física con vapor de agua a
escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera a una temperatura
constante de 850 y 950 ºC a diferentes tiempos.
Tabla AIV.6 Ensayo de determinación de la densidad aparente y dureza del carbón
activado de cuesco de coco a 850 y 950 ºC a diferentes tiempos en el horno Nichols
Temperatura
(ºC)
Tiempo
(min)
Peso inicial
(g)
Peso final
(g)
Dureza
(%)
Densidad aparente
(g/cm3)*
0
47,98
44,57
92,89
0,4798
30
44,88
40,34
89,88
0,4488
60
45,12
39,09
86,64
0,4512
90
45,35
34,05
75,08
0,4535
120
45,62
32,4
71,02
0,4562
150
45,83
32,27
70,41
0,4583
30
47,98
44,57
92,89
0,4798
60
41,45
36,33
87,65
0,4145
90
41,89
35,74
85,32
0,4189
120
42,32
28,67
67,75
0,4232
150
42,62
23,31
54,69
0,4262
850
950
* Volumen = 100 cm
3
146
V. ANEXO V
FICHAS TÉCNICAS DE RENDIMIENTO
Ficha Técnica Nº 1
Muestra: Carbón producido en el laboratorio de cuesco de coco a 400, 500 y
600 ºC y diferentes tiempos
Ensayo No: 1
Objetivo: Determinar el rendimiento en lecho fijo del cuesco de coco carbonizado
a nivel de laboratorio a 400, 500 y 600 ºC y diferentes tiempos.
Tabla AV.1 Ensayo de determinación del rendimiento del cuesco de coco carbonizado a
400, 500 y 600 ºC
Temperatura
(ºC)
Tiempo
(min)
60
400
90
120
60
500
90
120
60
600
90
120
Peso inicial
(g)
Peso final
(g)
Rendimiento
(%)
99,9
32,3
32,33
99,8
32,2
32,26
100,0
32,6
32,60
99,9
31,6
31,63
100,0
30,4
30,40
100,1
30,4
30,37
100,0
27,7
27,70
100,0
27,9
27,90
100,0
26,6
26,60
100,2
27,7
27,64
100,0
26,7
26,70
99,9
26,9
26,93
100,0
26,0
26,00
100,1
26,0
25,97
100,1
25,6
25,57
100,0
25,6
25,60
100,1
24,5
24,48
99,8
24,9
24,95
Rendimiento
Medio
(%)
32,30
32,12
30,38
27,80
27,12
26,81
25,99
25,59
24,71
147
Ficha Técnica Nº 2
Muestra: Carbón producido en el horno piloto Nichols a 500 ºC y 30 min
Ensayo No: 2
Objetivo: Determinar el rendimiento en lecho fijo del cuesco de coco carbonizado
a nivel piloto a 500 ºC y 30 min.
Tabla AV.2 Rendimiento de la carbonización del cuesco de coco a 500 ºC y 30 min para el
cuesco de coco
Peso inicial
(g)
Peso final
(g)
Rendimiento
(%)
1 000,1
282,5
28,25
148
VI.
ANEXO VI
FICHAS TÉCNICAS DEL USO DEL HORNO NICHOLS
HERRESHOFF MONO SOLERA
Ficha Técnica Nº 1
Muestra: Carbón producido de cuesco de coco a diferentes temperaturas
Ensayo No: 1
Objetivo: carbonizar el cuesco de coco a un perfil de temperatura de 400 a 600
ºC en lecho agitado con una atmósfera reductora.
Tabla AVI.1 Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para determinar la
temperatura de carbonización del cuesco de coco en un perfil de temperatura de 400 a
600 ºC
Temperatura
Tiempo
Obs.
Tiempo
(min)
(ºC)
∆Pa
∆Pg
presión horno Agitador
λ
(mm H2O) (mm H2O)
Presión
alta de gas
(mm H2O)
RPM
PSIG
1
100
9:06
0
30
25
0,90
-0,5
4
83
2
364
10:58
112
25
25
0,81
-1,5
4
50
3
447
12:58
232
25
25
0,81
-1,5
4
38
4
496
14:20
314
25
25
0,81
-1
4
29
5
546
16:33
457
25
25
0,81
-0,5
4
20
6
576
17:40
514
25
25
0,81
-0,5
4
18
7
570
17:50
524
25
25
0,81
-0,5
4
18
Observaciones
1
Carga 4 kg
2
Toma de muestra
3
Toma de muestra
4
Toma de muestra
5
Toma de muestra
6
Toma de muestra
7
Apagado del horno
149
Ficha Técnica Nº 2
Muestra: Carbón producido de cuesco de coco a 500 ºC y diferentes tiempos
Ensayo No: 2
Objetivo: carbonizar el cuesco de coco a 500 ºC durante 2 horas en lecho agitado
Tabla AVI.2 Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para determinar el tiempo de
carbonización de cuesco de coco para una temperatura constante de 500 ºC
Obs.
Temperatura
(ºC)
Tiempo
Tiempo
(min)
∆Pa
∆Pg
(mm H2O)
(mm H2O)
λ
Presión
presión horno
Agitador
(mm H2O)
RPM
PSIG
alta de gas
1
86
7:40
40
25
1,05
-0,5
4
32
2
473
11:05
30
27
0,87
-0,5
4
60
3
541
12:21
0
25
20
0,90
-1,0
4
36
4
509
13:21
60
10
8
0,91
1,0
4
32
5
504
14:01
100
5
5
0,81
-1,0
4
30
6
517
15:20
179
5
5
0,81
-1,0
4
30
7
492
15:42
0
15
12
0,92
-1,0
4
28
8
498
15:52
10
10
8
0,91
-0,5
4
28
9
495
16:02
20
5
5
0,81
-0,5
4
27
10
517
16:18
36
5
5
0,81
-0,5
4
23
11
505
16:39
57
5
4
0,92
-0,5
4
23
12
505
17:04
82
5
4
0,92
-0,5
4
23
13
502
17:20
98
5
4
0,92
-0,5
4
22
14
516
17:40
118
5
4
0,92
-0,5
4
22
.
Observaciones
1
Encendido
2
Cambio a atmósfera reductora
3
Se colocó 4 kg de la muestra
4
Toma de muestra
5
Toma de muestra
6
Descarga de peso muerto
7
Se colocó 4 kg de la muestra
8
Toma de muestra
9
Toma de muestra
10
Toma de muestra
11
Toma de muestra
12
Toma de muestra
13
Descarga de peso muerto
14
Apagado
150
Ficha Técnica Nº 3
Muestra: Carbón producido de cuesco de coco a 600 ºC y diferentes tiempos
Ensayo No: 3
Objetivo: carbonizar el cuesco de coco a 600 ºC durante 3 horas en lecho agitado
Tabla AVI.3 Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para determinar el tiempo de
carbonización de cuesco de coco para una temperatura constante de 600 ºC
Temperatura
Obs.
(ºC)
Tiempo
Tiempo
(min)
∆Pa
∆Pg
(mm H2O)
(mm H2O)
λ
presión horno
Agitador
Presión
alta de gas
(mm H2O)
RPM
PSIG
1
134
8:32
35
20
1,09
-0,5
4
32
2
550
11:30
30
25
0,90
-0,5
4
18
3
613
12:25
0
30
25
0,90
-1,5
4
5
4
607
12:43
18
20
20
0,81
-1,5
4
2
5
613
13:05
40
25
20
0,81
-1,5
4
2
6
601
13:29
64
25
20
0,81
-1,5
4
2
7
598
13:47
82
10
10
0,81
-1,5
4
2
8
595
14:06
101
10
10
0,81
-1,0
4
2
9
598
15:07
162
10
10
0,81
-1,0
4
1
10
598
15:25
180
10
10
0,81
-1,0
4
1
Observaciones
1
Encendido
2
Cambio a atmósfera reductora
3
Se colocó 4 kg de la muestra
4
Toma de muestra
5
Toma de muestra
6
Toma de muestra
7
Toma de muestra
8
Toma de muestra
9
Toma de muestra
10
Apagado y descarga de muestra
151
Ficha Técnica Nº 4
Muestra: cuesco de coco carbonizado a 500 ºC durante 30 min
Ensayo No: 4
Objetivo: Activar el carbón de cuesco de coco a 950 ºC durante 150 min con un
flujo de vapor de agua constante
Tabla AVI.4 Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para activar el carbón de
cuesco de coco a 950 ºC con un flujo constante de vapor de agua de 40 kg/h
presión horno
Agitador
Presión
alta de gas
(mm H2O)
RPM
PSIG
0,90
-2
4
14
25
0,90
-3
4
11
30
25
0,90
-3
4
9
60
30
25
0,90
-3
4
5
15:45
75
30
25
0,90
-3
4
4
948
16:00
90
30
25
0,90
-3
4
60
7
942
16:30
120
30
25
0,90
-2,5
4
52
8
900
17:00
150
30
25
0,90
-2,5
4
48
Temperatura
(ºC)
Tiempo
1
882
14:30
2
910
3
Tiempo
(min)
∆Pa
∆Pg
(mm H2O)
(mm H2O)
0
30
25
15:00
30
30
944
15:15
45
4
947
15:30
5
945
6
Obs.
λ
Observaciones
1
Carga 5 kg de carbón
2
Toma de Muestra
3
Control de temperatura
4
Toma de Muestra
5
Control de temperatura
6
Toma de Muestra
7
Toma de Muestra
8
Toma de Muestra
152
Ficha Técnica Nº 5
Muestra: cuesco de coco carbonizado a 500 ºC durante 30 min
Ensayo No: 5
Objetivo: Activar el carbón de cuesco de coco a 850 ºC durante 150 min con un
flujo de vapor de agua constante
Tabla AVI.5 Uso del horno Nichols Herreshoff mono solera para activar el carbón de
cuesco de coco a 950 ºC con un flujo constante de vapor de agua de 40 kg/h
presión horno
Agitador
Presión
alta de gas
(mm H2O)
RPM
PSIG
0,94
-2,5
4
33
12
0,92
-2,5
4
30
15
12
0,92
-2,5
4
29
45
15
12
0,92
-2,5
4
29
18:30
60
20
15
0,94
-2,5
4
27
855
18:45
75
20
15
0,94
-2,5
4
25
7
857
19:00
90
20
15
0,94
-2,5
4
22
8
850
19:15
105
20
15
0,94
-2,5
4
21
9
852
19:30
120
20
15
0,94
-2,5
4
20
10
846
19:45
135
20
15
0,94
-2,5
4
19
11
836
20:00
150
20
15
0,94
-2,5
4
15
Temperatura
(ºC)
Tiempo
1
875
17:30
2
902
3
Tiempo
(min)
∆Pa
∆Pg
(mm H2O)
(mm H2O)
0
20
15
17:46
16
15
861
18:01
31
4
858
18:15
5
830
6
Obs.
λ
Observaciones
1
Carga 5 kg de carbón
2
Control de temperatura
3
Toma de Muestra
4
Control de temperatura
5
Toma de Muestra
6
Control de temperatura
7
Toma de Muestra
8
Control de temperatura
9
Toma de Muestra
10
Control de temperatura
11
Toma de Muestra y apagado
153
VII. ANEXO VII
FICHAS TÉCNICAS DE DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE YODO
DEL CARBÓN ACTIVADO PRODUCIDO
Ficha Técnica Nº 1
Muestra: Carbón activado pulverizado a 45 µm a 850 ºC
Ensayo No: 1
Objetivo: Determinar el índice de yodo del carbón activado producido a escala
piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera a 850 ºC durante 150 min.
Tabla AVII.1 Determinación del índice de yodo para el carbón activado producido a 850
ºC mediante activación física con vapor de agua
Tiempo
(min)
Carbón
(g)
Gasto
Na2SO3 (ml)
Gasto
corregido (ml)
Nº yodo
0
0,5
24
26,1
162
30
0,25
14,4
15,7
772
60
0,25
12
13,0
866
90
0,25
8,8
9,6
1009
120
0,25
7,2
7,8
1095
150
0,25
5,6
6,1
1193
Índice de yodo
1200
900
600
300
0
0
30
60
90
120
150
Tiempo (min)
Figura AVII.1 Índice de yodo del carbón activado producido a 850 ºC mediante
activación física con vapor de agua en función del tiempo de activación
154
Ficha Técnica Nº 2
Muestra: Carbón activado pulverizado a 45 µm a 950 ºC
Ensayo No: 2
Objetivo: Determinar el índice de yodo del carbón activado producido a escala
piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera a 950 ºC durante 150 min.
Tabla AVII.2 Determinación del índice de yodo para el carbón activado producido a 950
ºC mediante activación física con vapor de agua
Tiempo
(min)
Carbón
(g)
Gasto
Na2SO3 (ml)
Gasto
corregido (ml)
Nº yodo
0
0,5
18
5,88
162
30
0,25
13,6
16,6
740
60
0,25
9,6
12,5
886
90
0,25
5
8,8
1045
120
0,25
4
4,6
1297
150
0,25
18
3,7
1371
Índice de yodo
1500
1200
900
600
300
0
0
30
60
90
120
150
tiempo (min)
Figura AVII.2 Índice de yodo del carbón activado producido a 950 ºC mediante
activación física con vapor de agua en función del tiempo de activación
155
VIII. ANEXO VIII
CURVA DE CALIBRACIÓN DE LA ABSORBANCIA PARA LA
DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE AZUL DE METILENO PARA
CARBÓN ACTIVADO
A partir de los datos obtenidos de la Tabla AVIII.1 se realizó la curva de
calibración mostrada en la Figura AVIII.1
Tabla AVIII.1 Determinación de la curva de calibración de la absorbancia para la
determinación del índice de azul de metileno para carbón activado
Dilución
equivalentes de azul de metileno
(g de azul de metileno/g de carbón activado)
Absorbancia
1:600
25 g/100 g
0,07
1:300
20 g/100 g
0,12
1:150
10 g/100 g
0,3
1:120
5 g/100 g
0,35
Absorbancia
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
5
10
15
20
25
30
g de azul de metileno/g de carbón activado
Figura AVIII.1 Curva de calibración de la absorbancia para la determinación del índice de
azul de metileno para carbón activado
156
IX.
ANEXO IX
FICHAS TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN DEL CARBÓN
ACTIVADO PRODUCIDO
Ficha Técnica Nº 1
Muestra: Carbón activado pulverizado a 45 µm a 850 y 950 ºC
Ensayo No: 1
Objetivo: Determinar el índice de decoloración de azúcar del carbón activado
producido a escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera a 850 y
950 ºC durante 150 min y compararlo con el carbón precursor.
Tabla AIX.1 Determinación del índice de decoloración de azúcar del carbón activado
producido a escala piloto en el horno Nichols
Absorbancia
λ = 430 nm
λ = 710 nm
UBR
Blanco
0,20
0,15
199,7
Precursor
0,20
0,80
198,4
GSR-20
0,15
0,70
148,6
A 850 ºC
0,15
0,80
148,4
A 950 ºC
0,14
0,28
139,4
157
Ficha Técnica Nº 2
Titulación Boehm
Muestra: Carbón activado pulverizado a 45 µm a 850 y 950 ºC
Ensayo No: 2
Objetivo: Determinar los grupos oxigenados presentes en el carbón activado
producido a escala piloto en el horno Nichols Herreshoff mono solera a 850 y
950 ºC durante 150 min por medio de una titulación Boehm.
Tabla AIX.2 Titulación Boehm para determinar los grupos funcionales del carbón
activado producido a escala piloto en el horno Nichols
η fenólicos
(μm/g CA)
η lactónicos
(μm/g CA)
η
carboxílicos
(μm/g CA)
η NaHCO3
(μm/g CA)
η Na2CO3
(μm/g CA)
η NaOH
(μm/g CA)
V NaHCO3
(ml)
V Na2CO3
(ml)
V NaOH
(ml)
Blanco
2
4,4
4,9
0
0
0
0
0
0
850 ºC
1,1
4,2
4,5
450
200
200
200
0
50
950 ºC
1,3
4,2
4,8
350
200
50
50
150
100
158
X. ANEXO X
DETERMINACIÓN DE LA CINÉTICA DE CARBONIZACIÓN Y
ACTIVACIÓN
Cinética de Carbonización
Tabla AX.1 Datos obtenidos para la elaboración de la curva TGA del cuesco de coco
t (s)
T (ºC)
T (K)
w mg
Dx/DT
mg/min
2612
450
723
7,33
-0,1521
-0,18
2763
475
748
6,8
-0,1021
21,2
-0,3555
2911
500
773
6,12
-0,0888
373
20,18
-0,2332
3062
525
798
6,06
-0,0755
125
398
20,02
-0,0289
3212
550
823
6,02
-0,0389
822
150
423
20
0,0208
3360
575
848
5,98
-0,0323
971
175
448
19,98
0,0133
3510
600
873
5,86
-0,0139
1121
200
473
19,96
-0,0467
3658
625
898
5,75
0,005
1271
225
498
19,9
-0,0835
3808
650
923
5,63
0,0289
1419
250
523
19,75
-0,2121
3957
675
948
5,55
-0,0334
1565
275
548
18,25
-0,8232
4107
700
973
5,5
0,0115
1713
300
573
17,56
-1,131
4256
725
998
5,38
0,0027
1863
325
598
14,65
-0,8324
4405
750
1023
5,36
-0,0089
2013
350
623
11,12
-1,5283
4554
775
1048
5,34
-0,0189
2162
375
648
8,02
-0,5824
4704
800
1073
5,34
-0,0345
2312
400
673
7,72
-0,2004
4853
825
1098
5,3
0,0456
2462
425
698
7,15
-0,1644
5002
850
1123
5,3
t (s)
T (ºC)
T (K)
w mg
62
22,7
295,7
21,8
222
50
323
21,8
374
75
348
523
100
673
Dx/DT
mg/min
Con los datos de la Tabla AIX.1 se elaboró la Tabla AIX.3 donde se encuentran
los datos con los que se realizaron las Figuras 3.17 y 3.18. Para el cálculo de α se
utilizó la Ecuación 1.22 mientras que las variaciones fueron calculadas entre 2
datos consecutivos. La Tabla AIX.2 muestra las condiciones iniciales.
Tabla AX.2 Datos obtenidos para la elaboración de la curva TGA del cuesco de coco
Valor
Unidades
wo
22
mg
wf
5,3
mg
β
10
ºc/min
159
Tabla AX.3 Datos calculados para la obtención de la pirolisis de carbonización del cuesco
de coco
0,9880
ࢊࢻ
࢒࢔ ቌ ࢊ࢚ ቍ
૚െࢻ
ሺ૚ െ ࢻሻ
0,9762
ࢊࢻ
࢒࢔ ቌ ࢊ࢚ ૛ ቍ
ሺ૚ െ ࢻሻ
0,0014
0,9880
-6,5331
0,9762
-6,5210
25,0
0,0024
0,9521
-5,9654
0,9065
-5,9163
0,0096
25,0
0,0004
0,8910
-7,7515
0,7939
-7,6361
0,1186
0,0012
25,0
0,0000
0,8814
-9,8201
0,7769
-9,6939
-0,0024
0,1198
0,0012
25,0
0,0000
0,8802
-9,8187
0,7748
-9,6912
-0,0022
0,1210
0,0012
25,0
0,0000
0,8790
-9,8174
0,7727
-9,6885
-0,0021
0,1222
0,0036
25,0
0,0001
0,8778
-8,7174
0,7706
-8,5871
-0,0020
0,1257
0,0090
25,0
0,0004
0,8743
-7,7970
0,7643
-7,6626
-0,0019
0,1347
0,0898
25,0
0,0036
0,8653
-5,4841
0,7487
-5,3394
-0,0018
0,2246
0,0413
25,0
0,0017
0,7754
-6,1510
0,6013
-5,8967
-0,0017
0,2659
0,1743
25,0
0,0070
0,7341
-4,6571
0,5389
-4,3480
-0,0017
0,4401
0,2114
25,0
0,0085
0,5599
-4,1930
0,3135
-3,6129
-0,0016
0,6515
0,1856
25,0
0,0074
0,3485
-3,8488
0,1215
-2,7947
-0,0015
0,8371
0,0180
25,0
0,0007
0,1629
-5,4235
0,0265
-3,6087
-0,0015
0,8551
0,0341
25,0
0,0014
0,1449
-4,6648
0,0210
-2,7331
-0,0014
0,8892
-0,0108
25,0
-0,0004
0,1108
#N/A
0,0123
#N/A
-0,0014
0,8784
0,0317
25,0
0,0013
0,1216
-4,5618
0,0148
-2,4544
-0,0013
0,9102
0,0407
25,0
0,0016
0,0898
-4,0100
0,0081
-1,6001
-0,0013
0,9509
0,0036
25,0
0,0001
0,0491
-5,8338
0,0024
-2,8200
-0,0013
0,9545
0,0024
25,0
0,0001
0,0455
-6,1633
0,0021
-3,0735
-0,0012
0,9569
0,0024
25,0
0,0001
0,0431
-6,1092
0,0019
-2,9653
-0,0012
0,9593
0,0072
25,0
0,0003
0,0407
-4,9535
0,0017
-1,7524
-0,0011
0,9665
0,0066
25,0
0,0003
0,0335
-4,8463
0,0011
-1,4511
-0,0011
0,9731
0,0072
25,0
0,0003
0,0269
-4,5406
0,0007
-0,9267
-0,0011
0,9802
0,0048
25,0
0,0002
0,0198
-4,6359
0,0004
-0,7119
-0,0011
0,9850
0,0030
25,0
0,0001
0,0150
-4,8283
0,0002
-0,6266
-0,0010
0,9880
0,0072
25,0
0,0003
0,0120
-3,7297
0,0001
0,6951
-0,0010
0,9952
0,0012
25,0
0,0000
0,0048
-4,6052
0,0000
0,7360
-0,0010
0,9964
0,0012
25,0
0,0000
0,0036
-4,3175
0,0000
1,3113
-0,0010
0,9976
0,0000
25,0
0,0000
0,0024
#N/A
0,0000
#N/A
-0,0009
0,9976
0,0024
25,0
0,0001
0,0024
-3,2189
0,0000
2,8154
-0,0009
1,0000
-1,0000
25,0
-0,0400
0,0000
#N/A
0,0000
#N/A
1/T
(1/K)
dα
dT
(K)
da/dT
(1/K)
α
1- α
-0,0034
0,0120
0,0000
27,3
0,0000
-0,0031
0,0120
0,0359
25,0
-0,0029
0,0479
0,0611
-0,0027
0,1090
-0,0025
* #N/A = error de cálculo, no se tomó en cuenta el dato
#N/A*
૛
#N/A
160
Cinética de Activación
Tabla AX.4 Datos obtenidos para la determinación de la constante cinética de activación a
850 y 950 ºC
T (ºC)
850
950
t (s)
carbón fijo
(%)
α
dα
dt
dα/dt
1-α
0
72,73
0,0000
0,8545
1800
4,7469E-04
1,0000
1800
83,88
0,8545
0,0452
1800
2,5099E-05
0,1455
3600
84,47
0,8996
0,0270
1800
1,5021E-05
0,1004
5400
84,82
0,9267
0,0618
1800
3,4345E-05
0,0733
7200
85,63
0,9885
0,0115
1800
6,3954E-06
0,0115
9000
85,78
1,0000
0
72,73
0,0000
0,8152
1800
4,5289E-04
1,0000
1800
88,81
0,8152
0,0039
1800
2,1510E-06
0,1848
3600
88,89
0,8191
0,0834
1800
4,6344E-05
0,1809
5400
90,53
0,9025
0,0214
1800
1,1870E-05
0,0975
7200
90,96
0,9239
0,0761
1800
4,2302E-05
0,0761
9000
92,46
1,0000
161
XI. ANEXO XI
DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPOS
Dimensionamiento del horno rotatorio
1. Ángulo de reposo del cuesco de coco
Muestra: cuesco de coco
Ensayo No: 1
Objetivo: Determinar el ángulo de reposo del cuesco de coco.
La Tabla AX.1 muestra los datos obtenidos para la determinación del ángulo de
reposo cuesco de coco. A partir de la Tabla AX.1 se construyó la Figura AX.1 en
donde se señala el ángulo de reposo.
Tabla AXI.1 Datos obtenidos para la determinación del ángulo de reposo del cuesco de
coco
Muestra
Altura
(cm)
Largo
(cm)
Ángulo de reposo
(º)
Cuesco de coco
5,5
8,2
33,85
Figura AXI.1 Datos obtenidos para la determinación del ángulo de reposo del cuesco de
coco
162
2. Cálculo de la Longitud y Diámetro interno del horno giratorio
t = 1,77
L´ F Q
Di ´ b ´ w
Di = 1m
L = 14 ´ Di = 14 m
b = 2º
w = 1 RPM
Q = 33,85
F =2
t = 1,77 ´
14 ´ 2 ´ 33,85º
= 144,17 min
1´ 2 ´ 1
3. Cálculo del combustible necesario para obtener la temperatura
requerida
A partir de las Ecuaciones 1.26 a 1.29 se determinó la entalpía de reacción para
la activación del cuesco de coco. Se estableció que la cantidad de carbón
presente en la muestra es el porcentaje de carbón fijo, el cual se encuentra en la
Tabla AIII.5. Los cálculos se presentan a continuación:
60 t coco 28,25 t Carbón
72,73 g C
1 mol C
kcal
mes 1día - 21,55 kcal
´
´
´
´
´
´
= -92 243,98
mes
100 t
100 g Carbón 12 g C 10 días 24 h
mol C
h
A partir de la Tabla AXI.2 que señala los calores de formación de los
componentes de las Ecuaciones 3.4 y 3.5, se determinó el poder calórico del GLP,
cuya composición es 40 % butano y 60 % propano.
La Tabla AXI.3 indica los calores de reacción de cada reacción y del GLP, con
esto y a partir del balance de energía, se calculó la cantidad de GLP necesario.
Se tomó en cuenta una eficiencia del horno del 40 % debido a las altas
temperaturas con las que se trabaja.
163
Tabla AXI.2 Calores de formación estándar de los compuestos en la combustión del GLP
Elemento
Entalpía
(kJ/gmol)
C3H8
- 104,7
C4H10
- 127,1
CO2
- 393,51
H2O
- 285,83
CO
- 110,35
Tabla AXI.3 Calores de reacción de los compuestos que conforman el GLP
Reacción
Entalpía (kJ/gmol)
C3 H 8 + 4 O2 ® H 2 + CO + 2 CO2 + 3 H 2 O
-1 650,16
2 C4 H 10 + 11 O2 ® 2 H 2 + 2 CO + 6 CO2 + 8 H 2 O
- 2 307,10
GLP
- 1 912,94
Q p = Qg
kcal
kJ 1 mol 1 kcal
´
´
= -9 226,64
mol 49,6 g 4,18 kJ
kg
kcal
kcal
- 92 243,98
= -9 226,64
´ m& ´ 0,40
h
kg
kg
m& = 25,00
h
- 1 912,94
4. Cálculo del aire necesario para producir carbón activado de cuesco
de coco, a atmósfera reductora
n GLP
mol C 3 H 8
ì
mol GLP ïï 302,42
kg 1 mol
h
= 25,00 ´
= 504,03
®í
mol C 4 H 10
h 49,6 g
h
ï201,61
ïî
h
302,42
4 mol O2
mol C3 H 8
mol O2
´
= 1 209,68
1 mol C3 H 8
h
h
201,61
11 mol O2
mol C4 H10
mol O2
´
= 1 108,86
2 mol C4 H10
h
h
n&O2 TOTAL = 2 318,54
2 318,54
mol O2
h
mol O2 100 mol aire 28,96 g
kg aire
´
´
= 319,74
h
21 molO2
1 mol
h
164
5. Cálculo de λ
Como la atmósfera tiene que ser reductora (λ < 1) se calcula este factor a partir de
la cantidad necesaria de oxígeno que se necesita para que exista una combustión
completa expresadas en la Ecuación AXI.1 para el propano y Ecuación AXI.2 para
el butano.
C3 H 8 + 5 O2 ® 3 CO2 + 4 H 2 O
[AXI.1]
2 C 4 H 10 + 13 O2 ® 8 CO2 + 10 H 2 O
[AXI.2]
302,42
mol C 3 H 8
mol O2
5 mol O2
´
= 1 512,10
h
h
1 mol C 3 H 8
201,61
mol C 4 H 10
mol O2
13 mol O2
´
= 1 310,47
h
h
2 mol C 4 H 10
n& O2 TOTAL = 2 822,57
mol O2
h
mol O 2
h
l=
=
= 0,82
mol O 2
n O2 Estequeométrico
2 822,57
h
2 318,54
n O2 Entrada
6. Cálculo de la composición de los gases de salida
a) Monóxido de carbono (CO)
302,42
mol C3 H 8 1 mol CO
mol CO
´
= 302,42
1 mol C3 H 8
h
h
201,61
2 mol CO
mol C4 H10
mol CO
´
= 201,61
2 mol C4 H10
h
h
n&COTOTAL = 504,03
mol CO
kg CO
= 14,11
h
h
b) Dióxido de carbono (CO2)
302,42
mol C3 H 8 2 mol CO2
mol CO2
´
= 604,84
1 mol C3 H 8
h
h
201,61
mol C4 H10 6 mol CO2
mol CO2
´
= 604,83
2 mol C4 H10
h
h
n&CO2 TOTAL = 1 209,67
mol CO2
kg CO2
= 53,23
h
h
165
c) Gas hidrógeno (H2)
302,42
mol C3 H 8 1 mol H 2
mol H 2
´
= 302,42
1 mol C3 H 8
h
h
201,61
2 mol H 2
mol C4 H10
mol H 2
´
= 201,61
2 mol C4 H10
h
h
n&H 2 TOTAL = 504,03
mol H 2
kg H 2
= 1,02
h
h
d) Vapor de agua (H2O)
302,42
mol C 3 H 8 3 mol H 2 O
mol H 2 O
´
= 907,26
1 mol C 3 H 8
h
h
201,61
mol C 4 H 10
8 mol H 2
mol H 2
´
= 806,44
2 mol C 4 H 10
h
h
n& H 2O TOTAL = 1 713,70
mol H 2 O
kg H 2 O
= 30,85
h
h
e) Nitrógeno (N2)
2 318 ,54
mol O2 79 mol N 2
mol N 2
kg
´
= 8 722 ,13
= 244 ,22
21 molO2
h
h
h
Dimensionamiento de equipos de Reducción de tamaño y clasificación para el cuesco
de coco
La Figura AXI.2 muestra el diagrama del proceso de reducción de tamaño y
clasificación del cuesco de coco.
a) Reducción de tamaño
Para la reducción de tamaño se eligió el equipo mostrado en la tabla 3.22. Se
calculó la energía por tonelada corta. Se asumió que la máquina opera las 6 h de
la jornada de trabajo.
6
h 0,4 t
t
´
= 2,4
d
h
d
Además se calculó el consumo energético
1,325 kW ´
h
kWh
= 3,313
0,4 t
t
166
Figura AXI.2 Diagrama de bloques del proceso de reducción y clasificación
b) Tamizador Grizzly
La primera clasificación, la alimentación ingresa a un grizzly. El tiempo de
operación del grizzly es el mismo que la de reducción de tamaño. La alimentación
diaria es de:
a = 2,4
t 1d
t
´
= 0,4
d 6h
h
De ahí que los datos para el diseño del primer grizzly son:
o Alimentación = 0,4 t/h
o Abertura = # 4 = 4 760 μm
La constante de tamizado para esta abertura es:
C = 78,577
t
2
m ×h
El área necesaria es:
A=
a
C
[AXI.3]
0,4
A=
78,577
t
h
t
m2 × h
= 50,906 cm 2
167
Para la segunda clasificación se consideró que el 80 % del primer tamizado va al
segundo y que de este solo el 6 % del total (7,5 % de la alimentación) pasa por el
segundo clasificador.
De ahí que los datos para el diseño del segundo grizzly son:
o Alimentación = 0,32 t/h
o Abertura = # 10 = 1 650 μm
La constante de tamizado para esta abertura es:
C = 24,865
A=
a
=
C
0,32
24,865
t
2
m ×h
t
h
t
= 128,695 cm 2
m2 × h
c) Diseño de la Pila Stock
El número de días que se desea que la planta trabaje sin alimentación son 2. Por
lo tanto, la cantidad de material que se va a almacenar en la pila stock es:
t
´ 2d = 4t
d
cm 3
= 4t ´
= 2 m3
2g
m stock = 2
Vstock
La Figura AX.3 muestra el esquema de la pila stock
Figura AXI.3 Diagrama de la pila stock
Como se puede observar en la Figura AX.4 se va a diseñar una pila stock con
forma de cono. Por lo tanto, su volumen viene dado por la ecuación AXI.4:
1
Vstock = p × r 2 h
3
[AXI.4]
168
El ángulo de reposo, se encuentra en la Tabla 3.19. Por lo tanto, la relación entre
el radio de la base y la altura del cono está dada por la ecuación AXI.5:
tan(Q) =
h
Þ r tan(Q ) = h
r
[AXI.5]
1
V stock = p × r 2 (r tan(Q ))
3
1
2m 3 = p × r 3 (tan(33,85))
3
r = 1,417 m
h = (tan(33,85))´ 1,417 = 0,951 m
Dimensionamiento de equipos de reducción de tamaño y clasificación para el carbón
activado de cuesco de coco producido
a) Reducción de tamaño
Para la reducción de tamaño se eligió el equipo mostrado en la Tabla 3.23. Se
calculó la energía por tonelada corta. Se asumió que la máquina opera las 6 h de
la jornada de trabajo.
6
h 0,25 t
t
´
= 1,5
d
h
d
Además se calculó el consumo energético
7,5kW ´
h
kWh
= 30
0,25 t
t
b) Tamizador Grizzly
La primera clasificación, la alimentación ingresa a un grizzly. El tiempo de
operación del grizzly es el mismo que la de reducción de tamaño. La alimentación
diaria es de:
a = 1,5
t 1d
t
´
= 0,25
d 6h
h
De ahí que los datos para el diseño del primer grizzly son:
o Alimentación = 0,25 t/h
o Abertura = # 6 = 1 650 μm
La constante de tamizado para esta abertura es:
169
C = 27,248
t
2
m ×h
El área necesaria es:
a
A= =
C
0,25
27,248
t
h
= 91,784 cm 2
t
m2 × h
Para la segunda clasificación se consideró que el 60 % del primer tamizado va al
segundo y que de este, el 10 % del total (7,5 % de la alimentación) pasa por el
segundo clasificador.
De ahí que los datos para el diseño del segundo grizzly son:
o Alimentación = 0,15 t/h
o Abertura = # 12 = 1 410 μm
La constante de tamizado para esta abertura es:
C = 23,276
a
A= =
C
0,15
23,276
t
2
m ×h
t
h
t
= 64,444 cm 2
m2 × h
Dimensionamiento de la cámara de enfriamiento
Se asumió que el agua de salida es de 90 ºC. También se asumió que la
eficiencia debido a la gran transferencia de calor es del 80 %. A partir de la
Ecuación AXI.6 se calculó el flujo de agua necesario.
Q& P = -Q& g ´ e
[AXI.6]
Q& P = m& Carbón ´ CP
kg
kcal
Q& P = -41,67 ´ 2 000
h
Kg
kcal &
Q& P = -83 333,3
Q g = m& H 2O (CpDT )
h
æ kcal
(100 - 25)º C ö÷÷ ´ 0,8
Q& P = m& H 2O ´ çç1
ø
è kg׺ C
170
& H 2O
Q& P = 60 × m
kcal
= 60 m& H 2O
h
kg
1 388,89
= m& H 2O
h
8 3 333,3
Una vez que se obtuvo el flujo de vapor se calculó el área necesaria para el
intercambiador a partir de la ecuación AXI.7.
Q& P = U ´ A ´ LMTD
[AXI.7]
LMTD =
DT1 - DT2
æ DT ö
ln çç 1 ÷÷
è DT2 ø
760 - 75
LMTD =
= 295,79 º C
æ 760 ö
ln ç
÷
è 75 ø
W
121 124,03W = 10 2
´ A ´ 295,79 º C
m ºC
A = 41m 2
A = 2pRL
A
L=
2pR
41m 2
R=
= 0,47 m
2p (14m )
Dimensionamiento del caldero
1. Cálculo del flujo de vapor requerido
n& vapor = C vapor ´ V horno
n& vapor = 7,88 ´10 - 6
3
kg
mol
mol
10 cm
´
1
,
17
´
10
= 92 253,6
= 1 660,53
3
h
h
h
cm
La Tabla AXI.4 señala las condiciones del caldero. La Tabla AX.5 indica la
composición del combustible
Los valores de la Tabla AXI.4 se basan en la puesta en planta en la provincia de
Esmeraldas, la misma que se encuentra a nivel del mar. Además la Figura AXI.4
muestra el diagrama de los procesos en el caldero. La Tabla AXI.5 señala las
171
pérdidas que posee cada parte del caldero. La Tabla AXI.6 indica la composición
química del Diésel que será útil para los cálculos posteriores.
Tabla AXI.4 Condiciones iniciales del caldero
Valor
Unidades
1 660,53
kg/h
Presión de operación
10
bar
Calidad del vapor
98
%
Temperatura vapor sobrecalentado
200
ºC
Temperatura de agua precalentada
90
ºC
Temperatura aire precalentado
100
ºC
Temperatura ambiente
25
ºC
125
ºC
Presión atmosférica
760
mmHg
Exceso de aire a la entrada
20
%
Vapor requerido
Temperatura
chimenea
permisible
gases
de
Tabla AXI.5 Pérdidas en los equipos
Porcentaje de pérdida
Caldero
8
Sobrecalentador
8
Economizador
10
Precalentador de aire
10
Tabla AXI.6 Composición del diésel II
Porcentaje
Carbón
87,3
Hidrógeno
12,6
Oxígeno
0,04
Nitrógeno
0,006
Azufre
0,22
Cenias
< 0,01
172
Figura AXI.4 Diagrama de bloques del caldero
2. Balance energético de los diferentes componentes del caldero
a) Caldero
P operación
Pop = Pcaldero + PATM
H V = 2 781,7 kJ
PATM = 760mmHg = 1,01bar
H l = 781,34 kJ
Pop = 11bar Þ Top = 184,09 º C
Kg
Kg
DH = H vapor 98% - H agua 90 º C
H vapor 90% = X × H v + (1 - X ) × H l
H vapor 90% = 0,98 × 2 781,7 + (1 - 0,98) × 781,34 = 2 741,693 kJ
H agua 90 º C = 376,92 kJ
QRe al caldero =
DH = 2 364,773 kJ
kg
Qcaldero
e
kg
=
3 926 794,226 KJ
0,92
h = 4 268 254,59 kJ
h
kg
Qcaldero = m& vapor ´ DH = 1 660,537 Kg
h
´ 2 364,773 KJ
Kg
= 3 926 794,226 KJ
h
173
b) Sobrecalentador
DH = H vapor 200 º C - H V 98%
DH = 2 793,5 - 2 741,693 = 51,807 kJ
Q& util
= m& vapor ´ DH = 1 660,537 Kg
Q Re al =
Qútil
e
=
86 027,44 kJ
0,92
h
kg
´ 51,807 kJ
h = 93 508,087 kJ
kg
= 86 027,44 kJ
h
h
c) Economizador
DH = H l 90 º C - H l 25 º C
DH = 376,92 - 104,89 = 272,03 kJ
Kg
= 73 896,95 kJ
Q& util = m& vapor ´ DH = (1 660,54 - 1 388,89) kg ´ 272,03 kJ
h
Kg
h
73 896,95 kJ
Q
h = 92 371,19 kJ
Q Re al = útil =
h
0,8
e
d) Para el Precalentador de aire
DH = H aire 100 ºC - H 25 ºC
DH = m& ´ Cp ´ DT
(100 - 25)º C = m& ´ 75,591kJ kg
kg׺ C
m& ´ 75,591kJ
kg
DH
=
=
= m& ´ 89,589 kJ
kg
e
0,9
DH = m& ´ 1,007878 kJ
DH Re al
e) Selección del caldero
ACalefacción =
m& vapor
Intensidad
=
1 660,537 kg
90 kg
h ´ m2
f) Cálculo del aire real
C + O 2 ® CO 2
1
2 H + O2 ® H 2 O
2
S + O 2 ® SO2
N + O 2 ® NO 2
h = 18,45 m 2
174
87,3 Kg C ´
1 kmol C 1 kmol O2
32 kg
´
´
= 232,8 kg O2
12 Kg C 1 kmol C 1 kmol O2
12,6 kg H ´
1 kmol O2
32 kg
1 kmol H
´ 2
´
= 100,8 kg O2
2 kmol H 1 kmol O2
1 kg H
0,22 kg S ´
1 kmol O2
1 kmol S
32 kg
´
´
= 0,22 kg O2
32,064 kg S 1 kmol S 1 kmol O2
0,006 kg N ´
TOTAL =
1 kmol N 1 kmol O2
32 kg
´
´
= 0,0137 kg O2
14 kg N 1 kmol N 1 kmol O2
kg O2
333,874 kg O2
= 3,339
kg combustible
100 kg combustible
g) Aire teórico
3,339 kg O2 ´
1 kmol O2 100 kmol aire 28,96 kg aire
´
´
= 14,516 kg aire
32 kg O2
21 kmol O2
1 kmol aire
h) Aire real = 20 % exceso
14 ,516 kg aire ´1,20 = 17 ,419
kg aire
= Wa '
kg combustible
Wa = Wa '´Wc
Para el Precalentador:
QTotal = 89 ,589 ´ 17 ,419 = 1 560 ,595 × Wc
i) Calor total del sistema (Q1)
Q1 = 4 268 254,59 kJ + 93 508,087 kJ + 92 371,19 kJ + 1 560,595 ×Wc
h
h
h
Q1 = 4 454 133,86 + 1 560,595 ×Wc
j) Cálculo de Q2
Q2 = Wg ´ DH gases
DH gases = DH gases (Tc, Tr ) - DH gases (Tgs, Tr )
DH gases (Tgs, Tr ) = Cp gases (Tgs - Tr )
DH gases (Tc, Tr ) =
PC ´ RH
Wg '
175
Wg = Wg '´Wc
RH = 95%
%O ö
æ
PC = 84%C + 290ç % H ÷ + 25% S - 6% H 2 O
8 ø
è
0,04 ö
æ
PC = 84(87,3) + 290ç12,6 ÷ + 25 × 0,22
8 ø
è
PC = 10 991,25 kcal
= 45 943,425 kJ
kg combustible
Kg combustible
A partir de los datos de la Tabla AXI.7 se realizaron los cálculos para determinar
la entalpía de los gases
Tabla AXI.7 Composición de los gases
Elemento Composición
CO2
11,45
H2O
9,91
SO2
0,011
NO2
0,001
O2
3,30
N2
75,31
87,3
1 kmol C 1 kmol CO2
44 kg
´
´
= 0,0728 kmol CO2 = 3,2010 kg CO2
kg C ´
100
12 kg C
1 kmol C
1 kmol CO2
1 kmol H 1 kmol H 2 O
18 kg
12,6
´
´
= 0,063 kmol H 2 O = 1,134 kg H 2 O
kg H ´
100
1 kg H
2 kmol H
1 kmol H 2 O
1 kmol SO2 64,064 kg
1 kmol S
0,22
´
´
= 6,86 ´ 10 -5 kmol SO2 = 4,40 ´ 10 - 4 kg SO2
kg S ´
100
32,064 kg S
1 kmol S
1 kmol SO2
0,006
1 kmol N 1 kmol NO2
46 kg
´
´
= 4,29 ´ 10 -6 kmol NO2 = 1,97 ´ 10 - 4 kg NO2
kg N ´
100
14 kg N
1 kmol N
1 kmol NO2
æ
kg Aire real
kg Aire teórico ö 0,23 kg O2 1 kmol O2
÷´
çç17,419
- 14,516
´
kg combustible
kg combustible ÷ø 1 kg aire
32 kg O2
è
= 0,021kmol O2 = 0,668 kg O2
17,419
0,77 kg N 2 1 kmol N 2
kg Aire real
´
´
= 0,479 kmol N 2 = 13,413 kg N 2
kg combustible 1 kg aire
28 kg N 2
TOTAL = 0,636 kmol = 18,417 kg gases = Wg '
176
Cp = å ( X i Cpi ) = 1,087 kJ
kg׺ C
´ 0,95
45 943,425 kJ
kg combustible
DH gases (Tc, Tr ) =
= 2 369,889 kJ
Kg gas
kgas
18,417
kg combustible
DH gases (Tgs, Tr ) = 1,087 kJ
´ (125 - 100)º C = 27,175 kJ
kg׺ C
Kg gas
DH gases = 2 342,714 kJ
kg gas
Q2 = W g × DH gases = 18,417 ´ WC ´ 2 342 ,714 kJ
kg gas
= 43 145 ,764 ´ WC kJ
kg Combustible
Q1 = Q2
43 145,764 ´ WC = 4 454 133,86 + 1 560,595 × Wc
WC = 107,11
kg
gal
= 1 029,86
dia
mes
k) Temperatura de Combustión
DH gases =
PC ´ RH
- Cp gases (Tgs - Tr )
Wg
Qcaldero = Wg ´ DH gases
ö
æ
ç
÷
10
991
,
25
kcal
ç
1 021 113,54kcal = 18,419
´ 118,465
´ 0,95 - Cp (Tgs - 25º C )÷
ç 18,419 kg
÷
kgcomb
gas
÷
ç
kg
comb
ø
è
467,97 = 566,898 - Cp (Tgs - 25º C ) Þ 98,928 = Cp (Tgs - 25º C )
Cp = 0,26
Tgs = 405,493 º C
kg gas
Dimensionamiento de tanques de reserva de combustibles
Los 2 tanques serán construidos para un abastecimiento semanal. Para el tanque
de reserva de GLP se estableció que la mejor forma es un cilindro horizontal de
1,6 m de alto como se muestra en la Figura XI.5.
177
Figura AXI.5 Diagrama del tanque de reserva de GLP
Para el diseño del tanque de GLP se partió de la ecuación de los gases a las
condiciones de Esmeraldas.
PV = nRT
R × 298K ´ 28 379,032mol
V=
100 ATM
V = 2,131m 3
ì
ü
é æ h öù
V ´ f = L ´ ír 2 ´ cos-1 ê1 - ç ÷ú + (h + r ) ´ h(2 ´ r - h )ý
ë è r øû
î
þ
ì
ü
é æ h öù
3m 3 = L ´ ír 2 ´ cos-1 ê1 - ç ÷ú + (h + r ) ´ h(2 ´ r - h )ý
ë è r øû
î
þ
L = 2 m3
Para el dimensionamiento del tanque de combustible se estableció que fuera un
cilindro vertical. Los cálculos se muestran a continuación:
V ´ f = p × r 2h
1,4 m 3 = p × r 2 h
h = 1,6 m
r = 0,528m
Dimensionamiento de la cámara de post combustión
A partir de las ecuaciones 3.4 y 3.5 se determinó la cantidad de oxígeno que se
necesita. También se determinó la cantidad de oxígeno necesario para quemar el
GLP, el flujo de aire y la composición final de los gases.
178
a) Oxígeno necesario
504,03
mol H 2 1 mol O2
1 mol O2
´
= 252,015
h
h
2 molH2
504,03
mol CO 1 mol O2
mol O2
´
= 252,015
h
h
2 mol CO
mol C3 H 8
ì
ï 30,242
mol GLP 49,6 g
Kg
h
50,403
´
= 2,5
®í
mol C4 H10
h
mol GLP
h
ï20,161
h
î
30,242
mol C 3 H 8
4 mol O2
mol O2
´
= 120,968
1 mol C 3 H 8
h
h
20,161
mol C 4 H 10
11 mol O2
mol O2
´
= 110,886
2 mol C 4 H 10
h
h
n& O2 TOTAL = 735,884
mol O2
h
b) Flujo de aire que ingresa
n& O2 ingresa = n& O2 TOTAL´1,20 = 883,061
883,061
mol O2
h
mol O2 100 mol aire 28,96 g
Kg aire
´
´
= 121,78
21 molO2
1 mol
h
h
c) Composición final de los gases de salida
Dióxido de carbono (CO2)
30,242
mol C3 H 8 2 mol CO2
mol CO2
´
= 60,484
h
h
1 mol C3 H 8
20,161
mol C4 H10 6 mol CO2
mol CO2
´
= 60,483
2 mol C4 H10
h
h
n&CO2 TOTAL = 120,967
mol CO2
Kg CO2
= 5,323
h
h
Vapor de agua (H2O)
30,242
mol C 3 H 8 3 mol H 2 O
mol H 2 O
´
= 90,726
h
h
1 mol C 3 H 8
20,161
mol C 4 H 10
8 mol H 2
mol H 2
´
= 80,644
2 mol C 4 H 10
h
h
n& H 2O TOTAL = 171,370
mol H 2 O
Kg H 2 O
= 3,085
h
h
179
Oxígeno (O2)
n&O2 No Rx = n&O2 ingresa - n&O2 Rx
n&O2 No Rx = 883,061 - 735,884 = 147,177
molO2
Kg O2
= 4,71
h
h
Nitrógeno (N2)
mol O2
h
mol O2 79 molN 2
molN 2
Kg N 2
´
= 3 321,991
= 93,016
883,061
h
h
h
21 molO2
n& O2 ingresa = n& O2 TOTAL´1,20 = 883,061
d) Oxígeno necesario
504,03
mol H 2 1 mol O2
1 mol O2
´
= 252,015
h
h
2 molH2
504,03
mol CO 1 mol O2
mol O2
´
= 252,015
h
h
2 mol CO
mol C3 H 8
ì
ï 30,242
mol GLP 49,6 g
Kg
h
´
= 2,5
®í
50,403
mol C4 H10
h
mol GLP
h
ï20,161
h
î
30,242
mol C 3 H 8
mol O2
4 mol O2
´
= 120,968
h
h
1 mol C 3 H 8
20,161
mol C 4 H 10
mol O2
11 mol O2
´
= 110,886
h
h
2 mol C 4 H 10
n& O2 TOTAL = 735,884
mol O2
h
Dimensionamiento del lavador de gases de combustión
A partir de las Tabla 3.28 y de las capacidades calóricas se construyó la Tabla
AXI.10.
A partir de la Tabla AXI.10 se estableció el flujo de agua necesaria, por medio de
un balance de energía.
Qe = Qs
Kcal
Kcal
= m& ´ 1
´ (90 - 25) º C
h
Kg º C
Kg
m& = 1 461,63
h
95 006,10
180
Tabla AXI.8 Balance de energía de los gases de salida
Gas
Flujo
(kg/h)
Cp
(kcal/kg- ºC)
Calor
kcal/h
CO2
58,55
0,27
12 015,08
H2O
33,94
0,5
12 895,30
N2
337,24
0,27
69 200,83
O2
4,71
0,25
894,90
TOTAL
434,43
95 006,10